Mikrometriske fotovoltaiske celler: et ‘teknologisk gennembrud’ for enhedsminiaturisering

I en tid, hvor bæredygtige energiløsninger er vigtigere end nogensinde, står udviklingen af fotovoltaisk (sol) teknologi i spidsen for innovation. Et nyligt eksempel på dette kommer fra University of Ottawa (U of O), hvor et hold af forskere med succes har “opnået en verdensførste ved at fremstille de første back-contact mikrometriske fotovoltaiske celler.” Dette beskrives som et “kritisk skridt” i at muliggøre den fortsatte miniaturisering af elektronik.

• Mathieu de Lafontaine, postdoktoral forsker ved U of O og deltids fysikprofessor
• Karin Hinzer, vice-dekan, forskning, og University Research Chair i fotoniske enheder for energi ved Fakultetet for Ingeniørvidenskab

Mens U of O var central for dette gennembrud, blev holdet også støttet af Université de Sherbrooke i Quebec og Laboratoire des Technologies de la Microélectronique i Grenoble, Frankrig.

Hvad er fotovoltaiske celler?

Fotovoltaiske celler, almindeligvis kendt som solceller, er enheder, der direkte omdanner sollys til elektricitet. De fungerer efter princippet om den fotovoltaiske effekt, hvor lysenergi (fotoner) der rammer halvledermaterialer såsom silicium, fremkalder en elektrisk strøm. Denne proces sker, når fotonerne løsriver elektroner fra deres atomare baner, hvilket skaber en strøm af elektrisk ladning.

Disse celler er de grundlæggende byggesten i solpaneler og er afgørende for at udnytte solenergi, en vedvarende og ren energikilde. Det seneste fremskridt fra U of O i udviklingen af mikrometriske fotovoltaiske celler markerer et betydeligt spring i denne teknologi og tilbyder mere effektive og kompakte løsninger.

Hvad er ‘Back-Contact mikrometriske fotovoltaiske celler’?

Som nævnt repræsenterer back-contact mikrometriske fotovoltaiske celler et banebrydende fremskridt inden for solteknologi. I modsætning til traditionelle solceller, hvor de elektriske kontakter er placeret på for- og bagsiden, har back-contact celler alle deres elektriske kontakter på bagsiden.

Dette unikke design reducerer markant skyggeeffekten forårsaget af elektroder på cellens overflade, hvilket forbedrer cellens evne til at indfange sollys.

Hvad er ‘Skygge’-effekten?

‘Skygge’-effekten i solceller refererer til den blokering af sollys, der skyldes tilstedeværelsen af elektriske kontakter på cellens overflade. Traditionelle fotovoltaiske celler har metalkontakter (normalt lavet af sølv eller aluminium) på den øverste overflade, som indsamler og transporterer den elektriske strøm, der genereres af cellen.

Disse kontakter kan dog blokere en del af det indkommende sollys, så det ikke når det fotovoltaiske materiale nedenunder. Denne blokering reducerer mængden af lys, der er tilgængeligt for omdannelse til elektricitet, og dermed sænker den samlede effektivitet af solcellen.

Kilde: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

At reducere denne skyggeeffekt er afgørende af flere grunde:

1. Øget effektivitet: Ved at minimere det område, der dækkes af kontakter, kan en større del af cellens overflade aktivt deltage i lysabsorption og omdannelse til elektricitet. Dette forbedrer cellens samlede effektivitet, så den kan generere mere strøm fra den samme mængde sollys.
2. Omkostningseffektivitet: Højere effektivitet betyder, at den samme mængde energi kan produceres fra færre celler. Som følge heraf kan de samlede omkostninger ved solenergisystemer reduceres, hvilket gør solenergi mere konkurrencedygtig i forhold til andre energiformer og øger dens tilgængelighed for et bredere spektrum af brugere.
3. Alsidighed og designfleksibilitet: Reduktion af skyggeeffekten muliggør mere innovative og fleksible solcelledesigns. Det kan føre til udviklingen af celler, der ikke kun er mere effektive, men også tyndere og lettere, hvilket kan være særligt gavnligt for anvendelser med krav til plads og vægt, såsom i rumfart, bærbare enheder og integrerede bygningsløsninger.

At reducere skyggeeffekten er nøglen til at fremme solteknologi – hvilket nu adresseres med disse back-contact mikrometriske fotovoltaiske celler. Som resultat kan vi snart forvente mere effektive, omkostningseffektive og alsidige solceller, som i sidste ende bør bidrage til en bredere adoption af solenergi som en bæredygtig energikilde.

Hvorfor er miniaturisering vigtigt?

Ud over at reducere skyggeeffekten i traditionelle fotovoltaiske celler muliggør back-contact en markant forbedret miniaturisering. Dette er afgørende inden for elektronik og vedvarende energiteknologier, da det tillader mere effektiv udnyttelse af plads og ressourcer samtidig med, at ydeevnen forbedres.

Miniaturiseringen eller det ‘mikrometriske’ aspekt af disse celler betyder, at de er omkring halvt så tykke som et menneskehår. Som følge heraf kan disse mindre, mere effektive fotovoltaiske celler, udviklet af U of O, også reducere produktionsomkostningerne betydeligt (angiveligt med op til en tredobling).

“Dette teknologiske gennembrud lover betydelige fordele for samfundet. Billigere, mere kraftfulde solceller vil hjælpe med at fremskynde energiskiftet. “

“Letvægts nukleare batterier vil lette rumforskning, og miniaturisering af enheder vil bidrage til væksten af internettet af ting og føre til mere kraftfulde computere og smartphones” – Mathieu de Lafontaine

Interessant nok handler denne miniaturisering ikke kun om at gøre enheder mindre; den handler om at gøre dem smartere og mere tilpasningsdygtige til forskellige miljøer. I en stadig mere forbundet verden, hvor Internet of Things (IoT) og smarte teknologier bliver allestedsnærværende, kan miniaturiserede fotovoltaiske celler drive en række enheder uden begrænsningerne fra traditionelle strømkilder.

Som sådan kan dette fremskridt muliggøre en grønnere, mere bæredygtig tilgang til energiproduktion og -forbrug, hvilket direkte bidrager til overgangen til en CO2-neutral økonomi.

Hvor anvendes de?

Fotovoltaiske celler har et bredt anvendelsesområde, som konstant udvides med fremskridt som back-contact fremstilling. Denne alsidighed og appel skyldes i høj grad deres evne til at generere elektricitet på en ren, vedvarende måde.

Udover konventionel energiproduktion er de integrerede i fjern- og bærbare energisystemer, såsom dem der anvendes i rumforskning, hvor de driver satellitter og rumfartøjer.

Med miniaturiseringen af disse celler udvides deres anvendelser til tættere elektroniske enheder, hvilket potentielt kan transformere industrier som telekommunikation og Internet of Things (IoT). Som tidligere nævnt kan miniaturisering føre til mere effektive, kompakte og alsidige solenergiløsninger, hvilket udvider, hvor fotovoltaisk teknologi kan anvendes.

Brancheaktører

På nuværende tidspunkt er der nogle få bemærkelsesværdige virksomheder, der fremmer væksten inden for den bæredygtige energisektor med fokus på solapplikationer. Følgende er nogle af dem, sammen med flere bemærkelsesværdige tilføjelser.

1.  NextEra Energy Resources

NEE Prisdiagram

NextEra Energy (NEE ) Resources, et datterselskab af NextEra Energy, gør betydelige fremskridt inden for solenergisektoren. I første kvartal af 2023 tilføjede virksomheden omkring 2.020 MW af vedvarende energi- og lagringsaktiver til sin pipeline, herunder cirka 1,3 GW solenergi samt lagrings- og vindaktiver. Denne tilføjelse bragte deres projektpipeline op på over 20,4 GW, hvilket viser en stærk forpligtelse til at udvide deres portefølje af vedvarende energi.

Et bemærkelsesværdigt projekt er Sebree Solar 400-MW solprojektet i Henderson County, Kentucky, som udvikles af Sebree Solar, et datterselskab af NextEra Energy Resources.

Derudover er NextEra Energy Resources også involveret i et andet 200-MW solprojekt gennem Green River Solar, et andet af deres datterselskaber. Disse initiativer afspejler NextEra Energy Resources’ engagement i at fremme solenergi som en nøglespiller på markedet for vedvarende energi.

2.  First Solar

FSLR Prisdiagram

First Solar (FSLR ), en fremtrædende amerikansk virksomhed, der specialiserer sig i cadmiumtellurid tynde film solmoduler, har vist betydelige fremskridt inden for solinitiativer i 2023. Med 801 millioner dollars i omsætning og forsendelse af 2,7 GW solmodulordrer i et enkelt kvartal demonstrerer virksomheden stærk vækst og fokus på solteknologi. For at imødekomme den stigende efterspørgsel udvider First Solar deres produktionskapacitet både i USA og internationalt med mål om en global kapacitet på 25 GW inden 2026.

Bemærkelsesværdigt har First Solar banet vejen for produktionen af bifaciale tynde film-moduler, en første inden for branchen. Denne innovative teknologi muliggør bifacial energigevinst og højere energiyield, hvilket markerer et betydeligt fremskridt i solmodulernes effektivitet.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG Prisdiagram

SolarEdge Technologies (SEDG ) betragtes bredt som en leder inden for smart energiteknologi. Virksomheden gjorde betydelige fremskridt i solenergisektoren i 2023 og opnåede rekordomsætning på 943,9 millioner dollars, hvoraf 908,5 millioner dollars kom specifikt fra deres solsegment. Denne præstation indikerer SolarEdges robuste tilstedeværelse i solindustrien. I første kvartal af 2023 alene leverede SolarEdge 3,6 gigawatt (AC) invertere og 221 MWh batterier, hvilket understreger deres betydelige bidrag til solenergimarkedet.

Bemærkelsesværdige nævnelser

Afsluttende tanker

Fremskridtene inden for fotovoltaisk celleteknologi, især gennem udviklingen af back-contact mikrometriske celler, repræsenterer et potentielt kvantespring i solenergi. Denne innovation forbedrer ikke kun effektiviteten og reducerer omkostningerne ved solenergi, men åbner også nye horisonter for anvendelse på tværs af forskellige sektorer. Reduktionen af skyggeeffekten og fokus på miniaturisering er afgørende for at drive solenergi frem i spidsen for vedvarende energikilder.

Mens vi omfavner disse teknologiske fremskridt, kommer vi tættere på en fremtid, hvor udbredt bæredygtig og ren energi ikke kun er en mulighed, men en realitet.