Kvantfluktuationer och solceller: vad visade studierna 2023?

Klimatförändringarna ökar behovet av att minska utsläppen och hantera klimatrisker. En övergång från fossila bränslen till bland annat vattenkraft, vindkraft, geotermisk energi och solenergi är en del av arbetet. Teknisk utveckling kan bidra. Under 2023 presenterades flera studier inom nanofotonik och solcellsteknik. Resultaten kommer från olika experiment och visar inte att kommersiella solpaneler redan blivit effektivare genom kvantfluktuationer.

Optiska resonatorer i flugform

En studie visade självmonterande optiska kaviteter i kisel. Ytkrafter med koppling till kvantfluktuationer får på förhand tillverkade nanostrukturer att närma sig varandra och fästa på ett kontrollerat sätt.

Bowtie-resonatorer har en smal del som liknar en fluga. De kan koncentrera ljusets elektromagnetiska fält till ett mycket litet område och därmed förstärka växelverkan mellan ljus och materia. Studien undersökte sådana optiska kaviteter, inte en färdig nästa generations solcell.

En mindre modvolym kan vara användbar, men innebär inte automatiskt lägre förluster eller högre total verkningsgrad. Vissa ytterst smala spalter är svåra att tillverka med vanlig litografi och etsning. Forskarna kombinerade därför dessa metoder med självmontering som utnyttjar ytkrafter, bland annat dem som beskrivs av

• Casimireffekten
• och van der Waals-växelverkan

Forskarna tillverkade två delar av upphängda kiselnanostrukturer. När avståndet och strukturernas fjädring var lämpliga drog ytkrafterna ihop delarna, som sedan fastnade och bildade en stabil struktur med en mycket liten optisk spalt. Det handlar om vidhäftning, inte kärnfusion eller att materia skapas ur tomrummet. Studien beskriver en begränsning hos traditionell tillverkning:Plan halvledarteknik kan skalas upp effektivt men har svårt att nå de atomära dimensioner som självmontering kan möjliggöra.

Vad betyder det?

Arbetets betydelse gäller framför allt tillverkning och integration av mycket små fotoniska komponenter. I Nature-artikeln diskuteras också andra möjliga tillämpningar.

Exempel är nanoporer för sekvensering, elektroder med nanospalter för kvanttunnling och skuggmasker för supraledande elektroniska komponenter. Alla dessa användningar demonstrerades inte i samma experiment.

Metoden kan göra det lättare att integrera självmonterade strukturer på atomär skala med större kretsar på ett chip. Fortsatt utveckling behövs för reproducerbarhet, förluster och praktisk tillverkning.

Den vågledarkopplade kaviteten är intressant för stark växelverkan mellan ljus och materia och möjliga framtida komponenter på enkelfotonnivå. Studien mätte däremot ingen förbättring av en solpanels omvandlingsverkningsgrad. En sådan tillämpning måste prövas separat.

Mikrometersmå solceller med baksideskontakter

I en separat studie presenterade forskare vid University of Ottawa och deras samarbetspartner under 2023 de första mikrometersmå solcellerna med baksideskontakter.

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

När kontakterna flyttas till baksidan skymmer de mindre av den ljusmottagande ytan. Enligt universitetets presentation minskade skuggningen från elektroderna med 95 procent. Det betyder inte att solcellens verkningsgrad var 95 procent. Nyheten gällde denna mikrometersmå konstruktion, inte de första baksideskontaktcellerna över huvud taget. Lägre energikostnad beskrevs som en möjlighet, inte ett garanterat kommersiellt resultat.

Alternativa tillämpningar

Studierna behandlar skilda tekniker. Den danska forskningen använder ytkrafter för att självmontera optiska kaviteter, medan Ottawa-arbetet gäller mikrometersmå solceller med baksideskontakter. Det senare visar inte att Casimireffekten har använts för att tillverka en solcell.

Nanoteknik kan i ett vidare perspektiv bidra till mindre elektronik, bättre material och medicinska tillämpningar. Starkare byggmaterial, effektivare läkemedel och riktad läkemedelstillförsel demonstrerades dock inte i dessa två studier. Varje tillämpning kräver egen forskning.

Självmonterade resonatorer är ett steg inom nanotillverkning. Tillförlitlighet, storskalig produktion och ekonomisk nytta i specifika produkter måste undersökas vidare.

Branschaktörer

Följande företag verkar inom solenergi. Det betyder inte att de tillverkar de aktuella experimentella resonatorerna eller mikrosolcellerna. De olika teknikerna befinner sig också på olika mognadsnivåer.

*Tabellerna återger historiska uppgifter från originalartikeln 2023. De är inte aktuella eller på nytt verifierade värderingsmått. Kontrollera datum, beräkningsmetod och nyare företagsuppgifter före en investering.*

1. NextEra Energy Resources

NEE Prisdiagram

NextEra Energy Resources är ett dotterbolag till börsnoterade NextEra Energy (NEE ). Det utvecklar, bygger och driver energiprojekt, bland annat vind- och solkraft. Diagrammet och värderingsmåtten gäller moderbolaget, inte en separat noterad Resources-aktie. De äldre uppgifterna om över 150 anläggningar, 26 delstater, fyra kanadensiska provinser och 17 000 MW ska inte läsas som en verifierad aktuell sammanställning.

2.  First Solar

FSLR Prisdiagram

First Solar (FSLR ) tillverkar tunnfilmssolpaneler med kadmiumtelluridteknik och erbjuder återvinning. Beskrivningen av bolaget som en heltäckande leverantör av projektutveckling, byggande och underhåll är föråldrad. USA:s projektutvecklingsverksamhet och den nordamerikanska underhållsverksamheten såldes 2021, följt av andra relaterade verksamheter 2022. Företagets egen information klargör att det inte utvecklar, bygger eller underhåller solenergiprojekt åt kunder.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Prisdiagram

SolarEdge Technologies (SEDG ) erbjuder solenergiteknik, särskilt effektoptimerare för likström och växelriktare, samt tillhörande lagrings- och energihanteringslösningar. Den äldre uppräkningen av affärsområden beskriver inte nödvändigtvis dagens verksamhet. I november 2024 meddelade bolaget att Energy Storage-divisionen i Sydkorea skulle stängas. Det angav samtidigt att försäljningen av batterier för solenergisystem till bostäder och kommersiella kunder inte påverkades av beslutet.

Avslutande tankar

Självmonterade optiska kaviteter och mikrometersmå solceller med baksideskontakter är två skilda forskningsframsteg. Det senare gäller solceller direkt, medan det förra demonstrerar en metod för nanofotonisk tillverkning. Tillsammans bevisar de inte att kvantfluktuationer redan ger effektivare kommersiella solpaneler.

Fortsatt forskning kan förbättra ljuskoncentration, miniatyrisering och tillverkningskostnader. Praktiskt genomslag beror på uppmätt verkningsgrad, hållbarhet och kostnad. Arbetet kan bidra till energiomställningen men garanterar varken ett visst införandedatum eller en lösning på klimatförändringarna på egen hand.