Mikrometriska fotovoltaiska celler – ett ‘teknologiskt genombrott’ för enhetsminiaturisering

I en tid där hållbara energilösningar är viktigare än någonsin, står utvecklingen av fotovoltaisk (sol) teknik i framkant av innovation. Ett nyligen exempel på detta kommer från University of Ottawa (U of O), där ett team av forskare framgångsrikt har “uppnått ett världsprång genom att tillverka de första bakkontakt-mikrometriska fotovoltaiska cellerna.” Detta beskrivs som ett “avgörande steg” för att underlätta den fortsatta miniaturiseringen av elektronik.

Teamet som ansvarade för detta genombrott leddes av:

• Mathieu de Lafontaine, en postdoktoral forskare vid U of O och deltidsprofessor i fysik
• Karin Hinzer, vice dekan för forskning och universitetsforskningsordförande i fotoniska enheter för energi vid ingenjörsfakulteten

Även om U of O var central för detta genombrott, fick teamet också stöd från Université de Sherbrooke i Quebec och Laboratoire des Technologies de la Microélectronique i Grenoble, Frankrike.

Vad är fotovoltaiska celler?

Fotovoltaiska celler, allmänt kända som solceller, är enheter som omvandlar solljus direkt till elektricitet. De fungerar enligt principen om den fotovoltaiska effekten, där ljusenergi (fotoner) som träffar halvledarmaterial som kisel inducerar en elektrisk ström. Denna process sker när fotonerna släpper loss elektroner från deras atomära banor, vilket skapar ett flöde av elektrisk laddning.

Dessa celler är de grundläggande byggstenarna i solpaneler och är avgörande för att utnyttja solenergi, en förnybar och ren energikälla. Den senaste framsteg från U of O i utvecklingen av mikrometriska fotovoltaiska celler markerar ett betydande språng i denna teknik, och erbjuder mer effektiva och kompakta lösningar.

Vad är ‘bakkontakt-mikrometriska fotovoltaiska celler’?

Som nämnts representerar bakkontakt-mikrometriska fotovoltaiska celler ett banbrytande framsteg inom solteknik. Till skillnad från traditionella solceller, där de elektriska kontakterna är placerade på fram- och baksidan, har bakkontaktceller alla sina elektriska kontakter på baksidan.

Denna unika design minskar avsevärt skuggningseffekten som orsakas av elektroder på cellens yta, vilket förbättrar cellens förmåga att fånga solljus.

Vad är ‘skuggningseffekten’?

Skuggningseffekten i solceller avser hindret för solljus som orsakas av närvaron av elektriska kontakter på cellens yta. Traditionella fotovoltaiska celler har metalliska kontakter (vanligtvis av silver eller aluminium) på den övre ytan som samlar in och transporterar den elektriska ström som genereras av cellen.

Dessa kontakter kan dock blockera en del av det inkommande solljuset, vilket hindrar det från att nå det fotovoltaiska materialet under. Denna blockering minskar mängden ljus som är tillgängligt för omvandling till elektricitet, vilket därmed minskar den totala effektiviteten hos solcellen.

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

Att minska denna skuggningseffekt är avgörande av flera skäl:

1. Ökad effektivitet: Genom att minimera området som täcks av kontakter kan en större del av cellens yta aktivt delta i ljusabsorption och omvandling till elektricitet. Detta förbättrar cellens totala effektivitet, vilket gör att den kan generera mer kraft från samma mängd solljus.
2. Kostnadseffektivitet: Högre effektivitet innebär att samma mängd energi kan produceras från färre celler. Som ett resultat kan den totala kostnaden för solkraftsystem minskas, vilket gör solenergi mer konkurrenskraftig jämfört med andra energiformer och ökar dess tillgänglighet för ett bredare spektrum av användare.
3. Mångsidighet och designflexibilitet: Minskad skuggning möjliggör mer innovativa och flexibla solcelldesigns. Det kan leda till utveckling av celler som inte bara är mer effektiva utan också tunnare och lättare, vilket kan vara särskilt fördelaktigt för tillämpningar med krav på utrymme och vikt, såsom inom rymdteknik, bärbara enheter och integrerade byggnadslösningar.

Att minska skuggningseffekten är nyckeln till att driva soltekniken framåt – vilket nu adresseras med dessa bakkontakt-mikrometriska fotovoltaiska celler. Som ett resultat kan vi snart förvänta oss mer effektiva, kostnadseffektiva och mångsidiga solceller som i slutändan bör bidra till en bredare adoption av solenergi som en hållbar energikälla.

Varför är miniaturisering viktig?

Utöver att minska skuggningseffekten i traditionella fotovoltaiska celler möjliggör bakkontakt en kraftigt förbättrad miniaturisering. Detta är avgörande inom elektronik och förnybar energiteknik eftersom det möjliggör mer effektiv användning av utrymme och resurser samtidigt som prestandan förbättras.

Miniaturiserings- eller ‘mikrometriska’ aspekten av dessa celler innebär att de är ungefär dubbelt så tjocka som ett människohår. Som ett resultat kan dessa mindre, mer effektiva fotovoltaiska celler som utvecklats av U of O också avsevärt minska produktionskostnaderna (påstås kunna minska dem upp till tre gånger).

“Detta teknologiska genombrott lovar betydande fördelar för samhället. Billigare, kraftfullare solceller kommer att hjälpa till att påskynda energiskiftet. “

“Lätta kärnbatterier kommer att underlätta rymdforskning, och miniaturisering av enheter kommer att bidra till tillväxten av Internet of Things och leda till kraftfullare datorer och smartphones” – Mathieu de Lafontaine

Intressant nog handlar denna miniaturisering inte bara om att göra enheter mindre; det handlar om att göra dem smartare och mer anpassningsbara till olika miljöer. I en allt mer uppkopplad värld, där Internet of Things (IoT) och smarta teknologier blir allestädes närvarande, kan miniaturiserade fotovoltaiska celler driva en rad enheter utan begränsningarna från traditionella energikällor.

På så sätt kan detta framsteg underlätta ett grönare, mer hållbart tillvägagångssätt för energiproduktion och -förbrukning, och direkt bidra till övergången mot en koldioxidneutral ekonomi.

Var används de?

Fotovoltaiska celler har ett brett spektrum av tillämpningar som ständigt växer med framsteg som bakkontaktstillverkning. Denna mångsidighet och attraktionskraft beror i stor utsträckning på deras förmåga att generera elektricitet på ett rent, förnybart sätt.

Utöver konventionell kraftproduktion är de integrerade i fjärr- och bärbara kraftsystem, såsom de som används i rymdforskning, där de driver satelliter och rymdfarkoster.

Med miniaturiseringen av dessa celler sträcker sig deras tillämpningar till tätare elektroniska enheter, vilket potentiellt kan omvandla industrier som telekommunikation och Internet of Things (IoT). Som tidigare nämnts kan miniaturisering leda till mer effektiva, kompakta och mångsidiga solenergidrivna lösningar, vilket breddar området där fotovoltaisk teknik kan tillämpas.

Branschaktörer

För närvarande finns det några anmärkningsvärda företag som främjar tillväxt inom den hållbara energisektorn och har fokus på solapplikationer. Följande är några av dessa, tillsammans med flera anmärkningsvärda tillägg.

1.  NextEra Energy Resources

NEE Prisdiagram

NextEra Energy (NEE ) Resources, ett dotterbolag till NextEra Energy, gör betydande framsteg inom solenergisektorn. Under första kvartalet 2023 lade företaget till cirka 2 020 MW förnybara och lagringsanläggningar till sin backlogg, vilket inkluderade ungefär 1,3 GW solenergi samt lagring och vindkraft. Detta tillägg ökade deras projektbacklogg till över 20,4 GW, vilket visar ett starkt engagemang för att expandera deras förnybara energiportfölj.

Ett anmärkningsvärt projekt är Sebree Solar 400-MW solprojektet i Henderson County, Kentucky, som utvecklas av Sebree Solar, ett dotterbolag till NextEra Energy Resources.

Dessutom är NextEra Energy Resources också involverat i ett annat 200-MW solprojekt via Green River Solar, ett annat av deras dotterbolag. Dessa initiativ speglar NextEra Energy Resources engagemang för att driva solenergi framåt som en nyckelaktör på marknaden för förnybar energi.

2.  First Solar

FSLR Prisdiagram

First Solar (FSLR ), ett framstående amerikanskt företag som specialiserar sig på kadmiumtellurid tunnfilmssolmoduler, har visat betydande framsteg inom solinitiativ år 2023. Med 801 miljoner dollar i intäkter och leverans av 2,7 GW solmodulorder under ett kvartal visar företaget stark tillväxt och fokus på solteknik. För att möta den ökande efterfrågan expanderar First Solar sin tillverkningskapacitet både i USA och internationellt, med målet att nå en global kapacitet på 25 GW år 2026.

Noterbart har First Solar banat väg för produktionen av bifaciala tunnfilm-moduler, ett först i branschen. Denna innovativa teknik möjliggör bifacial energivinst och högre energiproduktion, vilket markerar ett betydande framsteg i solmodulernas effektivitet.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG Prisdiagram

SolarEdge Technologies (SEDG ) ses allmänt som en ledare inom smart energiteknik. Företaget gjorde betydande framsteg inom solenergisektorn år 2023 och noterade rekordintäkter på 943,9 miljoner dollar, varav 908,5 miljoner dollar kom specifikt från dess solsegment. Denna prestation visar på SolarEdges starka närvaro i solindustrin. Enbart under första kvartalet 2023 levererade SolarEdge 3,6 gigawatt (AC) av växelriktare och 221 MWh batterier, vilket understryker deras betydande bidrag till solenergimarknaden.

Anmärkningsvärda omnämnanden

Avslutande tankar

Framstegen inom fotovoltaisk cellteknik, särskilt genom utvecklingen av bakkontakt-mikrometriska celler, representerar ett potentiellt kvantsprång i solenergi. Denna innovation förbättrar inte bara effektiviteten och minskar kostnaden för solkraft utan öppnar också nya horisonter för dess tillämpning över olika sektorer. Minskningen av skuggningseffekten och fokus på miniaturisering är avgörande för att driva solenergi till förgrunden av förnybara energikällor.

Genom att omfamna dessa teknologiska framsteg närmar vi oss en framtid där omfattande hållbar och ren energi inte bara är en möjlighet utan en verklighet.