Κβαντικές διακυμάνσεις και φωτοβολταϊκά: τι έδειξαν οι μελέτες του 2023

Η κλιματική αλλαγή καθιστά αναγκαία τη μείωση των εκπομπών και την αντιμετώπιση των κλιματικών κινδύνων. Η μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα σε πηγές χαμηλών εκπομπών, όπως η υδροηλεκτρική, η αιολική, η γεωθερμική και η ηλιακή ενέργεια, αποτελεί μέρος αυτής της προσπάθειας. Χρειάζονται επίσης τεχνολογικές βελτιώσεις. Το 2023, νέες μελέτες παρουσίασαν εξελίξεις στη νανοφωτονική και στα φωτοβολταϊκά. Πρόκειται όμως για διαφορετικά ερευνητικά αποτελέσματα, όχι για ήδη αποδεδειγμένη αύξηση της απόδοσης εμπορικών ηλιακών πάνελ.

Οπτικοί συντονιστές σε σχήμα παπιγιόν

Μία από τις μελέτες παρουσίασε αυτοσυναρμολογούμενες οπτικές κοιλότητες σε πυρίτιο. Η μέθοδος αξιοποιεί επιφανειακές δυνάμεις που σχετίζονται με κβαντικές διακυμάνσεις, ώστε προκατασκευασμένες νανοδομές να πλησιάσουν και να προσκολληθούν με ελεγχόμενο τρόπο.

Οι συντονιστές τύπου bowtie ονομάζονται έτσι επειδή το στενό τμήμα τους θυμίζει παπιγιόν. Περιορίζουν έντονα το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε μια πολύ μικρή περιοχή και μπορούν να ενισχύσουν την αλληλεπίδραση φωτός και ύλης. Η συγκεκριμένη μελέτη αφορούσε νανοφωτονικές κοιλότητες, όχι δοκιμασμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία επόμενης γενιάς.

Ο μικρότερος όγκος περιορισμού του φωτός μπορεί να είναι χρήσιμος, αλλά δεν συνεπάγεται αυτόματα μεγαλύτερη συνολική απόδοση ή μικρότερες απώλειες. Η συμβατική λιθογραφία και χάραξη δυσκολεύονται να δημιουργήσουν ορισμένα τόσο στενά διάκενα. Οι ερευνητές συνδύασαν αυτές τις μεθόδους με αυτοσυναρμολόγηση, αξιοποιώντας δυνάμεις όπως αυτές που περιγράφονται από το

• φαινόμενο Casimir
• και τις αλληλεπιδράσεις van der Waals

Η ομάδα κατασκεύασε αρχικά δύο τμήματα αιωρούμενων νανοδομών πυριτίου. Όταν το διάκενο και η ελαστικότητά τους ήταν κατάλληλα, οι επιφανειακές δυνάμεις τα έφεραν σε επαφή και δημιούργησαν μια σταθερή δομή με εξαιρετικά μικρό οπτικό διάκενο. Δεν πρόκειται για πυρηνική σύντηξη ή για παραγωγή υλικού από το κενό. Η μελέτη επισημαίνει τον εξής περιορισμό των συμβατικών μεθόδων:Η επίπεδη τεχνολογία ημιαγωγών προσφέρει μεγάλη δυνατότητα κλιμάκωσης, αλλά δυσκολεύεται να φτάσει τις ατομικές διαστάσεις που μπορούν να επιτευχθούν μέσω αυτοσυναρμολόγησης.

Τι σημαίνει αυτό;

Η σημασία της εργασίας αφορά κυρίως την κατασκευή και ολοκλήρωση πολύ μικρών φωτονικών διατάξεων. Η δημοσίευση στο Nature περιγράφει πιθανές προεκτάσεις πέρα από το συγκεκριμένο πείραμα.

Μεταξύ των προτεινόμενων εφαρμογών είναι οι νανοπόροι για αλληλούχηση, τα ηλεκτρόδια με νανοδιάκενα για κβαντική σήραγγα και οι μάσκες εναπόθεσης για υπεραγώγιμες ηλεκτρονικές διατάξεις. Πρόκειται για ερευνητικές δυνατότητες, όχι για αποτελέσματα που αποδείχθηκαν όλα στην ίδια εργασία.

Η προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στη σύνδεση νανοδομών ατομικής κλίμακας με μεγαλύτερα κυκλώματα πάνω σε τσιπ. Η βιομηχανική αξιοποίηση απαιτεί επιπλέον έλεγχο της αναπαραγωγιμότητας, των απωλειών και της ολοκλήρωσης.

Η κοιλότητα που συνδέεται με κυματοδηγό είναι ενδιαφέρουσα για την ενίσχυση της αλληλεπίδρασης φωτός και ύλης και για μελλοντικές διατάξεις μεμονωμένων φωτονίων. Η μελέτη δεν μέτρησε αύξηση της απόδοσης μετατροπής ενός ηλιακού πάνελ. Τυχόν φωτοβολταϊκή εφαρμογή παραμένει δυνατότητα που χρειάζεται ξεχωριστή απόδειξη.

Μικρομετρικά φωτοβολταϊκά στοιχεία με επαφές στην πίσω πλευρά

Σε διαφορετική εργασία, ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οτάβα και συνεργάτες τους παρουσίασαν το 2023 τα πρώτα μικρομετρικά φωτοβολταϊκά στοιχεία με οπίσθιες επαφές.

Πηγή: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015

Η μεταφορά των ηλεκτρικών επαφών στην πίσω πλευρά περιορίζει τη σκίαση της επιφάνειας που δέχεται φως. Σύμφωνα με την ανακοίνωση του Πανεπιστημίου της Οτάβα, η σκίαση από τα ηλεκτρόδια μειώθηκε κατά 95%. Αυτό δεν σημαίνει απόδοση μετατροπής 95%. Η διατύπωση «πρώτα» αφορά τα μικρομετρικά στοιχεία αυτής της κατασκευής, όχι όλα τα φωτοβολταϊκά με οπίσθιες επαφές. Η μείωση κόστους παρουσιάστηκε ως δυνατότητα, όχι ως εγγυημένο εμπορικό αποτέλεσμα.

Άλλες πιθανές εφαρμογές

Τα δύο αποτελέσματα αφορούν διαφορετικές μεθόδους: η δανική εργασία χρησιμοποιεί επιφανειακές δυνάμεις για αυτοσυναρμολόγηση οπτικών κοιλοτήτων, ενώ η εργασία της Οτάβα αναπτύσσει μικρομετρικά φωτοβολταϊκά με οπίσθιες επαφές. Η δεύτερη δεν αποτελεί απόδειξη κατασκευής ηλιακών στοιχείων μέσω του φαινομένου Casimir.

Η νανοτεχνολογία μπορεί ευρύτερα να οδηγήσει σε μικρότερα ηλεκτρονικά, βελτιωμένα υλικά και νέες ιατρικές εφαρμογές. Ωστόσο, ισχυρότερα δομικά υλικά ή στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων δεν αποδείχθηκαν από αυτά τα δύο πειράματα. Κάθε εφαρμογή απαιτεί τη δική της έρευνα.

Οι αυτοσυναρμολογούμενοι συντονιστές είναι ένα βήμα στην κατασκευή νανοδομών. Η δυνατότητα παραγωγής, η αξιοπιστία και το οικονομικό όφελος σε συγκεκριμένα προϊόντα χρειάζονται περαιτέρω αξιολόγηση.

Εταιρείες του κλάδου

Οι ακόλουθες εταιρείες δραστηριοποιούνται στην ηλιακή ενέργεια. Η παρουσίασή τους δεν σημαίνει ότι κατασκευάζουν τους πειραματικούς συντονιστές ή τα συγκεκριμένα μικρομετρικά στοιχεία. Οι σχετικές τεχνολογίες δεν έχουν όλες το ίδιο στάδιο ωριμότητας.

*Οι πίνακες διατηρούν τις ιστορικές τιμές του αρχικού άρθρου του 2023. Δεν αποτελούν τρέχουσες ή εκ νέου επαληθευμένες αποτιμήσεις. Οι επενδυτές πρέπει να ελέγχουν την ημερομηνία, τη μεθοδολογία και τα νεότερα εταιρικά στοιχεία.*

1. NextEra Energy Resources

NEE Διάγραμμα τιμής

Η NextEra Energy Resources είναι θυγατρική της NextEra Energy (NEE ), η οποία είναι εισηγμένη με το σύμβολο NEE. Αναπτύσσει, κατασκευάζει και λειτουργεί ενεργειακά έργα, μεταξύ άλλων αιολικά και ηλιακά. Το διάγραμμα και ο πίνακας αφορούν τη μητρική NextEra Energy, όχι ξεχωριστή εισηγμένη μετοχή της Resources. Οι παλαιότερες αναφορές σε πάνω από 150 κέντρα, 26 πολιτείες και 17.000 MW δεν πρέπει να διαβάζονται ως επαληθευμένη σημερινή απογραφή.

2.  First Solar

FSLR Διάγραμμα τιμής

Η First Solar (FSLR ) κατασκευάζει φωτοβολταϊκά πλαίσια λεπτών υμενίων, με τεχνολογία τελλουριούχου καδμίου, και διαθέτει πρόγραμμα ανακύκλωσης. Η παλαιότερη περιγραφή της ως ολοκληρωμένου παρόχου ανάπτυξης, κατασκευής και συντήρησης έργων είναι ξεπερασμένη: η εταιρεία πώλησε την ανάπτυξη έργων στις ΗΠΑ και τη βορειοαμερικανική συντήρηση το 2021, καθώς και άλλες σχετικές δραστηριότητες το 2022. Η σημερινή εταιρική ενημέρωση διευκρινίζει ότι δεν αναπτύσσει, κατασκευάζει ή συντηρεί ηλιακά έργα για πελάτες.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Διάγραμμα τιμής

Η SolarEdge Technologies (SEDG ) προσφέρει τεχνολογία ηλιακής ενέργειας, ιδίως βελτιστοποιητές ισχύος συνεχούς ρεύματος και μετατροπείς, καθώς και συναφείς λύσεις αποθήκευσης και διαχείρισης ενέργειας. Η παλαιότερη απαρίθμηση όλων των επιχειρηματικών δραστηριοτήτων δεν περιγράφει απαραίτητα το σημερινό χαρτοφυλάκιο. Τον Νοέμβριο του 2024 ανακοίνωσε το κλείσιμο του τμήματος Energy Storage στη Νότια Κορέα, διευκρινίζοντας ότι αυτό δεν επηρέαζε τις πωλήσεις μπαταριών για οικιακά και εμπορικά φωτοβολταϊκά.

Προοπτικές

Οι οπτικές κοιλότητες που αυτοσυναρμολογούνται και τα μικρομετρικά φωτοβολταϊκά με οπίσθιες επαφές αποτελούν διαφορετικές ερευνητικές εξελίξεις. Η δεύτερη αφορά άμεσα ηλιακά στοιχεία, ενώ η πρώτη δείχνει μια νέα μέθοδο νανοφωτονικής κατασκευής. Δεν αποδεικνύουν από κοινού ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις αυξάνουν ήδη την απόδοση εμπορικών πάνελ.

Η περαιτέρω έρευνα μπορεί να βελτιώσει τον περιορισμό του φωτός, τη σμίκρυνση και το κόστος κατασκευής. Η ευρεία εφαρμογή θα εξαρτηθεί από μετρήσεις πραγματικής απόδοσης, ανθεκτικότητας και κόστους. Η έρευνα αυτή μπορεί να συμβάλει στην ενεργειακή μετάβαση, αλλά δεν εγγυάται συγκεκριμένο χρονοδιάγραμμα ή από μόνη της επίλυση της κλιματικής αλλαγής.