Kvantefluktuasjoner og solceller: hva viste studiene i 2023?

Klimaendringene øker behovet for å redusere utslipp og håndtere klimarisiko. Overgangen fra fossile brensler til blant annet vannkraft, vindkraft, geotermisk energi og solenergi er en del av arbeidet. Teknologisk utvikling kan bidra. I 2023 viste nye studier fremskritt innen nanofotonikk og solceller. Resultatene kommer fra ulike forsøk og beviser ikke at kvantefluktuasjoner allerede har forbedret kommersielle solcellepaneler.

Optiske resonatorer formet som en sløyfe

En studie viste selvmonterende optiske hulrom i silisium. Overflatekrefter knyttet til kvantefluktuasjoner får ferdiglagde nanostrukturer til å nærme seg hverandre og feste seg på en kontrollert måte.

Bowtie-resonatorer har et smalt parti som ligner en sløyfe. De konsentrerer lysets elektromagnetiske felt i et svært lite område og kan forsterke vekselvirkningen mellom lys og materie. Studien gjaldt slike optiske hulrom, ikke ferdig utviklede solceller.

Et mindre optisk modusvolum kan være nyttig, men gir ikke automatisk mindre tap eller høyere samlet virkningsgrad. Vanlig litografi og etsing har begrensninger ved fremstilling av enkelte svært smale spalter. Forskerne kombinerte disse metodene med selvmontering drevet av overflatekrefter, blant annet kreftene beskrevet av

• Casimir-effekten
• og van der Waals-vekselvirkning

Forskerne fremstilte to deler av opphengte silisiumnanostrukturer. Ved egnet avstand og fjærstivhet trakk overflatekreftene delene sammen, slik at de festet seg og dannet en stabil struktur med en svært liten optisk spalte. Dette er vedheft, ikke kjernefusjon eller produksjon av materie fra tomrommet. Studien peker på følgende begrensning:Plan halvlederteknologi kan skaleres effektivt, men har vansker med å nå de atomære dimensjonene som selvmontering kan muliggjøre.Dette motiverer kombinasjonen av de to tilnærmingene.

Hva betyr det?

Arbeidet er særlig relevant for fremstilling og integrasjon av svært små fotoniske komponenter. I Nature-artikkelen omtales også andre mulige bruksområder.

Eksemplene omfatter nanoporer for sekvensering, elektroder med nanospalter for kvantetunnelering og skyggemasker for fremstilling av superledende elektroniske komponenter. Disse anvendelsene ble ikke alle demonstrert i samme forsøk.

Metoden kan gjøre det lettere å integrere selvmonterte strukturer på atomær skala med større kretser på en brikke. Reproduserbarhet, tap og praktisk produksjon krever videre arbeid.

Det bølgelederkoblede hulrommet kan være nyttig for sterk vekselvirkning mellom lys og materie og fremtidige komponenter på enkeltfotonnivå. Studien målte ingen økning i et solcellepanels omdanningsvirkningsgrad. En slik anvendelse må dokumenteres separat.

Mikrometersmå solceller med kontakter på baksiden

I en annen studie presenterte forskere ved University of Ottawa og deres samarbeidspartnere i 2023 de første mikrometersmå solcellene med baksideskontakter.

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

Når kontaktene flyttes til baksiden, skygger de for mindre av den lysmottakende flaten. Ifølge universitetets omtale ble skyggeleggingen fra elektrodene redusert med 95 prosent. Dette betyr ikke at solcellens virkningsgrad var 95 prosent. Nyheten gjaldt denne mikrometersmå konstruksjonen, ikke de første solcellene med baksideskontakter generelt. Lavere energikostnader ble presentert som en mulighet, ikke et garantert kommersielt resultat.

Andre mulige bruksområder

De to studiene gjelder forskjellige teknikker. Den danske forskningen bruker overflatekrefter til selvmontering av optiske hulrom, mens Ottawa-arbeidet gjelder mikrometersmå solceller med baksideskontakter. Sistnevnte viser ikke at Casimir-effekten ble brukt til å fremstille solceller.

Nanoteknologi kan mer generelt bidra til mindre elektronikk, bedre materialer og medisinske anvendelser. Sterkere byggematerialer, mer effektive medisiner og målrettet legemiddellevering ble likevel ikke demonstrert i disse to studiene. Hvert bruksområde krever egen forskning.

Selvmonterende resonatorer er ett steg innen nanofremstilling. Pålitelighet, produksjon i stor skala og økonomisk nytte i bestemte produkter må undersøkes videre.

Selskaper i bransjen

Følgende selskaper arbeider med solenergi. Omtalen betyr ikke at de produserer de aktuelle eksperimentelle resonatorene eller mikrosolcellene. Teknologiene har også ulik modenhet.

*Tabellene beholder historiske opplysninger fra originalartikkelen i 2023. De er ikke dagens eller på nytt kontrollerte verdsettelsesmål. Kontroller dato, beregningsmetode og nyere selskapsopplysninger før en investering.*

1. NextEra Energy Resources

NEE Prisdiagram

NextEra Energy Resources er et datterselskap av børsnoterte NextEra Energy (NEE ). Det utvikler, bygger og driver energiprosjekter, blant annet vind- og solkraft. Diagrammet og verdsettelsen gjelder morselskapet, ikke en separat Resources-aksje. De eldre opplysningene om over 150 anlegg, 26 delstater, fire kanadiske provinser og 17 000 MW er ikke en kontrollert oversikt over dagens virksomhet.

2.  First Solar

FSLR Prisdiagram

First Solar (FSLR ) produserer tynnfilmsmoduler med kadmiumtelluridteknologi og tilbyr resirkulering. Den gamle beskrivelsen som totalleverandør av prosjektutvikling, bygging og vedlikehold er utdatert. Amerikansk prosjektutvikling og nordamerikansk drift og vedlikehold ble solgt i 2021, fulgt av andre beslektede virksomheter i 2022. Selskapets egen informasjon presiserer at det ikke utvikler, bygger eller vedlikeholder solenergiprosjekter for kunder.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Prisdiagram

SolarEdge Technologies (SEDG ) tilbyr solenergiteknologi, særlig effektoptimalisatorer for likestrøm og vekselrettere, samt tilknyttede lagrings- og energistyringsløsninger. Den eldre listen over forretningsområder beskriver ikke nødvendigvis dagens virksomhet. I november 2024 varslet selskapet stenging av Energy Storage-divisjonen i Sør-Korea. Det presiserte samtidig at beslutningen ikke berørte salg av batterier til bolig- og næringskunders solenergisystemer.

Avsluttende tanker

Selvmonterte optiske hulrom og mikrometersmå solceller med baksideskontakter er to forskjellige forskningsfremskritt. Det siste gjelder solceller direkte, mens det første demonstrerer en metode for nanofotonisk fremstilling. Samlet beviser de ikke at kvantefluktuasjoner allerede gir mer effektive kommersielle solcellepaneler.

Videre forskning kan forbedre lyskonsentrasjon, miniatyrisering og produksjonskostnader. Praktisk bruk avhenger av målt virkningsgrad, holdbarhet og kostnad. Arbeidet kan bidra til energiomstillingen, men garanterer verken en bestemt innføringsdato eller en løsning på klimaendringene alene.