Mikrometriske fotovoltaiske celler en ‘teknologisk gjennombrudd’ for enhetsminiaturisering

I en tid hvor bærekraftige energiløsninger er viktigere enn noen gang, står utviklingen av fotovoltaisk (sol) teknologi i frontlinjen av innovasjon. Et nylig eksempel på dette kommer fra University of Ottawa (U of O), hvor et team av forskere har lykkes med å “oppnå en verdensførste ved å fremstille de første bakkontakt‑mikrometriske fotovoltaiske cellene.” Dette blir beskrevet som et “kritisk steg” i å legge til rette for fortsatt miniaturisering av elektronikk.

• Mathieu de Lafontaine, postdoktorforsker ved U of O og deltids fysikklærer
• Karin Hinzer, visedekan for forskning, og universitetsforskningsstol i fotoniske enheter for energi ved Ingeniørfakultetet

Selv om U of O var sentral i dette gjennombruddet, fikk teamet også støtte fra Université de Sherbrooke i Quebec og Laboratoire des Technologies de la Microélectronique i Grenoble, Frankrike.

Hva er fotovoltaiske celler?

Fotovoltaiske celler, vanligvis kalt solceller, er enheter som direkte omdanner sollys til elektrisitet. De fungerer etter prinsippet om den fotovoltaiske effekten, hvor lysenergi (fotoner) som treffer halvledermaterialer som silisium, frigjør elektroner fra deres atomære baner og skaper en elektrisk strøm.

Disse cellene er de grunnleggende byggeklossene i solcellepaneler og er kritiske for å utnytte solenergi, en fornybar og ren energikilde. Det nylige fremskrittet fra U of O med utviklingen av mikrometriske fotovoltaiske celler markerer et betydelig sprang i denne teknologien, og tilbyr mer effektive og kompakte løsninger.

Hva er ‘bakkontakt‑mikrometriske fotovoltaiske celler’?

Som nevnt representerer bakkontakt‑mikrometriske fotovoltaiske celler et banebrytende fremskritt innen solteknologi. I motsetning til tradisjonelle solceller, hvor de elektriske kontaktene er plassert på front‑ og bakoverflaten, har bakkontaktceller alle sine elektriske kontakter på baksiden.

Denne unike utformingen reduserer skyggeeffekten som forårsakes av elektrodene på cellens overflate betydelig, og forbedrer dermed cellens evne til å fange sollys.

Hva er ‘skygge’-effekten?

‘Skygge’-effekten i solceller refererer til blokkeringen av sollys forårsaket av tilstedeværelsen av elektriske kontakter på cellens overflate. Tradisjonelle fotovoltaiske celler har metallkontakter (vanligvis laget av sølv eller aluminium) på den øvre overflaten som samler og transporterer den elektriske strømmen som genereres av cellen.

Disse kontaktene kan imidlertid blokkere en del av det innkommende sollyset, slik at det ikke når det fotovoltaiske materialet under. Denne blokkeringen reduserer mengden lys som er tilgjengelig for omdanning til elektrisitet, og dermed senker den totale effektiviteten til solcellen.

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

Reduksjon av denne skygge‑effekten er viktig av flere grunner:

1. Økt effektivitet: Ved å minimere området som dekkes av kontakter, kan en større del av cellens overflate aktivt delta i lysabsorpsjon og omdanning til elektrisitet. Dette forbedrer den samlede effektiviteten til cellen, slik at den kan generere mer kraft fra samme mengde sollys.
2. Kostnadseffektivitet: Høyere effektivitet betyr at samme mengde energi kan produseres fra færre celler. Som et resultat kan de totale kostnadene for solenergisystemer reduseres, noe som gjør solenergi mer konkurransedyktig med andre energiformer, og øker tilgjengeligheten for et bredere spekter av brukere.
3. Allsidighet og designfleksibilitet: Reduksjon av skygge gjør det mulig med mer innovative og fleksible solcelle‑design. Det kan føre til utvikling av celler som ikke bare er mer effektive, men også tynnere og lettere, noe som er spesielt gunstig for applikasjoner med strenge krav til plass og vekt, som i romfart, bærbare enheter og integrerte bygningsløsninger.

Reduksjon av skygge‑effekten er nøkkelen til å drive solteknologien fremover – noe som nå adresseres med disse bakkontakt‑mikrometriske fotovoltaiske cellene. Som følge av dette kan vi snart forvente mer effektive, kostnadseffektive og allsidige solceller som til slutt vil bidra til bredere adopsjon av solenergi som en bærekraftig kraftkilde.

Hvorfor er miniaturisering viktig?

Utover å redusere skygge‑effekten i tradisjonelle fotovoltaiske celler, gjør bakkontakt det mulig med betydelig forbedret miniaturisering. Dette er avgjørende innen elektronikk og fornybare energiteknologier fordi det tillater mer effektiv utnyttelse av plass og ressurser samtidig som ytelsen forbedres.

Den miniaturiserte eller ‘mikrometriske’ dimensjonen av disse cellene gjør dem omtrent to ganger tykkere enn et menneskehår. Som et resultat kan de mindre, mer effektive fotovoltaiske cellene utviklet av U of O også redusere produksjonskostnadene betydelig (antatt opptil en tredobling av kostnadsreduksjonen).

“Dette teknologiske gjennombruddet lover betydelige fordeler for samfunnet. Billigere, kraftigere solceller vil bidra til å akselerere energiskiftet.

Lette nukleære batterier vil legge til rette for romutforskning, og miniaturisering av enheter vil bidra til veksten av tingenes internett og føre til kraftigere datamaskiner og smarttelefoner” – Mathieu de Lafontaine

Interessant nok handler denne miniaturiseringen ikke bare om å gjøre enheter mindre; den handler om å gjøre dem smartere og mer tilpasset ulike miljøer. I en stadig mer sammenkoblet verden, hvor tingenes internett (IoT) og smarte teknologier blir allestedsnærværende, kan miniaturiserte fotovoltaiske celler drive et bredt spekter av enheter uten begrensningene fra tradisjonelle strømkilder.

Dermed kan dette fremskrittet legge til rette for en grønnere, mer bærekraftig tilnærming til kraftproduksjon og -forbruk, og direkte bidra til overgangen mot en karbonnøytral økonomi.

Hvor brukes de?

Fotovoltaiske celler har et bredt spekter av anvendelser som stadig vokser med fremskritt som bakkontakt‑produksjon. Denne allsidigheten og appellen skyldes i stor grad deres evne til å generere elektrisitet på en ren, fornybar måte.

Utover konvensjonell kraftproduksjon, er de integrert i fjern- og bærbare kraftsystemer, som de som brukes i romforskning, hvor de driver satellitter og romfartøy.

Med miniaturiseringen av disse cellene, utvides deres anvendelser til tettere elektroniske enheter, potensielt transformerende industrier som telekommunikasjon og tingenes internett (IoT). Som nevnt tidligere kan miniaturisering føre til mer effektive, kompakte og allsidige solenergibaserte løsninger, og utvide omfanget av hvor fotovoltaisk teknologi kan anvendes.

Bransjeaktører

Per i dag finnes det noen bemerkelsesverdige selskaper som fremmer vekst innen den bærekraftige energisektoren med fokus på solapplikasjoner. Følgende er noen av disse, sammen med flere bemerkelsesverdige tillegg.

1.  NextEra Energy Resources

(NEE )

NextEra Energy Resources, et datterselskap av NextEra Energy, gjør betydelige fremskritt innen solenergisektoren. I første kvartal 2023 la selskapet til omtrent 2 020 MW fornybare og lagringsaktiva i sin pipeline, inkludert ca. 1,3 GW solenergi samt lagrings‑ og vindprosjekter. Denne tilveksten økte prosjekt‑pipeline til over 20,4 GW, og viser et sterkt engasjement for å utvide sin portefølje av fornybar energi.

Et bemerkelsesverdig prosjekt er Sebree Solar 400‑MW solprosjekt i Henderson County, Kentucky, som utvikles av Sebree Solar, et datterselskap av NextEra Energy Resources.

I tillegg er NextEra Energy Resources også involvert i et annet 200‑MW solprosjekt gjennom Green River Solar, et annet av deres datterselskaper. Disse initiativene reflekterer NextEra Energy Resources’ forpliktelse til å fremme solenergi som en nøkkelspiller i markedet for fornybar energi.

2.  First Solar

(FSLR )

First Solar, et fremtredende amerikansk selskap som spesialiserer seg på kadmiumtellurid tynnfilm‑solmoduler, har vist betydelige fremskritt innen solinitiativ per 2023. Med $801 million i inntekter og en forsendelse på 2,7 GW solmodul‑ordrer i ett kvartal, demonstrerer selskapet sterk vekst og fokus på solteknologi. For å møte den økende etterspørselen, utvider First Solar sin produksjonskapasitet både i USA og internasjonalt, med mål om en global kapasitet på 25 GW innen 2026.

Spesielt har First Solar vært pioner i produksjonen av bifasiale tynnfilm‑moduler, en første i bransjen. Denne innovative teknologien gjør det mulig med bifasial energigain og høyere energiytelse, og markerer et betydelig fremskritt i solmodul‑effektivitet.

3.  SolarEdge Technologies

(SEDG )

SolarEdge Technologies blir bredt ansett som en leder innen smart energiteknologi. Dette selskapet gjorde betydelige fremskritt i solenergisektoren i 2023, med rekordinntekter på $943,9 million, hvorav $908,5 million kom spesifikt fra solsegmentet. Denne prestasjonen indikerer SolarEdges robuste tilstedeværelse i solindustrien. I første kvartal 2023 alene sendte SolarEdge 3,6 Gigawatt (AC) invertere og 221 MWh batterier, noe som understreker deres betydelige bidrag til solenergimarkedet​

Notable Mentions

Avsluttende tanker

Fremskrittene innen fotovoltaisk celleteknologi, spesielt gjennom utviklingen av bakkontakt‑mikrometriske celler, representerer et potensielt kvantesprang i solenergi. Denne innovasjonen forbedrer ikke bare effektiviteten og reduserer kostnadene for solkraft, men åpner også nye horisonter for anvendelse på tvers av ulike sektorer. Reduksjonen av skygge‑effekten og fokuset på miniaturisering er avgjørende for å drive solenergi til fronten av fornybare energikilder.

Etter hvert som vi omfavner disse teknologiske fremskrittene, kommer vi nærmere en fremtid hvor utbredt bærekraftig og ren energi ikke bare er en mulighet, men en realitet.