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  • Rompere le barriere nell'energia solare

    I ricercatori dell'IEC Wayne Buchanan (a sinistra) e Brian McCandless (a destra) si preparano a caricare il sistema di deposizione per trasporto di vapore per una corsa di film di tellururo di cadmio drogato. Buchanan sta sollevando la testa della sorgente fuori dalla camera principale e McCandless sta esaminando la precedente deposizione del film (piastra grigia) e si prepara a posizionare il substrato di vetro rivestito di pellicola nanocristallina sul suscettore di grafite. Credito:Università del Delaware

    Fermati un attimo e immagina un sistema autostradale efficiente. Non c'è bisogno di fantino per la posizione, nessuna strozzatura che unisce tre corsie in una, niente lunghe soste ai semafori inopportuni, nessun blocco stradale mentre l'automobilista davanti a te si prepara per una svolta che è ancora a cinque miglia di distanza. Indipendentemente dal numero di auto, sapresti che aspetto ha una navigazione tranquilla.

    Questa è la vita che i ricercatori a stato solido desiderano per gli elettroni mentre lavorano per catturare la straordinaria energia del sole e convertirla in elettricità.

    Se fosse una soluzione facile - tutto questo catturare e convertire - lo scienziato Brian McCandless potrebbe passare più tempo con le sue cornamuse.

    Ma lui e molti altri ricercatori hanno raccolto per decenni la sfida di migliorare il traffico di elettroni nelle celle solari. McCandless, dell'Institute of Energy Conversion dell'Università del Delaware, si è concentrata in particolare sull'efficienza di conversione e sul costo del fotovoltaico a film sottile, che offrono prezzi competitivi per la generazione di energia solare.

    Ora, McCandless e i suoi collaboratori presso il National Renewable Energy Lab di Golden, Colorado, hanno fatto importanti passi avanti, con l'invenzione brevettata da UD di McCandless che ha un nome simile a Star Trek - un sistema di deposizione del trasporto di vapore - e la verifica su larga scala delle sue capacità da parte di NREL.

    Con esso, hanno dimostrato un nuovo modo di regolare le proprietà dei film sottili che offre maggiore efficienza e costi ridotti, aprendo la porta a progressi ancora maggiori.

    Questo è il sistema di deposizione del trasporto di vapore progettato e costruito presso l'Istituto di Conversione Energetica di UD per migliorare l'efficienza e ridurre i costi del fotovoltaico a film sottile. Credito:Università del Delaware

    Le loro scoperte, realizzato con il supporto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, sono stati pubblicati su Nature's Rapporti scientifici .

    La tecnologia a film sottile rappresenta una quota piccola ma in crescita del mercato solare rispetto ai molto più comuni wafer di silicio, ma i film sottili hanno molti vantaggi rispetto a quei wafer. I film sottili consentono una rapida produzione di più flessibili, pannelli solari leggeri, ampliando le opzioni di progettazione e applicazione.

    Il limite massimo per l'efficienza del film sottile è stato fissato nel 2016 al 22,1 percento, il che significa che gran parte della luce solare catturata viene convertita direttamente in elettricità.

    Ora, McCandless ha affermato di rimuginare parole che non usa alla leggera:una tanto attesa "svolta tecnologica".

    Ma prima, un breve ripasso su come catturiamo ed elaboriamo l'energia del sole, che fornisce abbastanza materie prime in un'ora per alimentare il nostro pianeta per un anno intero.

    I ricercatori IEC Wayne Buchanan (a sinistra) e Brian McCandless (a destra) abbassano la testa della sorgente di vapore nel sistema di deposizione del trasporto di vapore. Credito:Università del Delaware

    Il metodo più comune per catturare il sole sono quei pannelli solari che vedi sui tetti delle abitazioni o inclinati verso il cielo in altri ambienti. Le celle appositamente progettate su quei pannelli, fatte tipicamente di silicio, catturano i fotoni carichi di energia che ci piovono generosamente addosso in ogni flusso di luce solare. In un giorno di sole, ce ne sono circa 1, 000 watt di luce solare che colpiscono ogni metro quadrato della superficie terrestre.

    Quando questi fotoni solari colpiscono i materiali fotovoltaici, vengono convertiti in elettroni e lacune. Quando guidato nel modo giusto all'interno del materiale, possono produrre tensione elettrica e un flusso di elettricità, conseguente potere.

    I materiali a film sottile sono composti da milioni di cristalli per pollice quadrato, stratificato sopra materiali di base chiamati substrati utilizzando sia il calore che la pressione e "cresciuti" - o accumulati - in pile di dispositivi chiamati "celle solari". Il trucco sta nell'aggiustare la proprietà di ogni grano cristallino quando si verifica questa crescita.

    Il nuovo strumento brevettato da McCandless, il sistema di deposizione del trasporto di vapore, viene utilizzato per effettuare le regolazioni fini durante la crescita del film, incorporare piccole quantità di elementi aggiuntivi nei cristalli del film sottile a temperature che consentono il controllo delle proprietà in modo da migliorare le prestazioni della cella solare.

    Quando gli atomi incorporati sono attivi, producono ciò che è noto come "doping, " che aumenta la conduttività e aumenta la tensione che può essere prodotta dalla cellula. Combinato con altri processi dopo la crescita, viene accelerato il flusso efficiente di elettroni all'elettrodo, il modo in cui potresti migliorare il flusso del traffico autostradale aprendo una nuova corsia o aggiungendo nuovi punti di accesso. Trovare la giusta miscela di drogaggio e quegli altri processi – uno che non crei altri problemi o influenzi la resistenza di quegli elettroni – è fondamentale.

    Inquadratura dall'alto del suscettore di grafite (in alto), un substrato di vetro rivestito con film nanocristallino (giallo) e una pila completata con il film di tellururo di cadmio drogato (grigio). Credito:Università del Delaware

    La ricerca di McCandless ha utilizzato uno dei materiali a film sottile più importanti, tellururo di cadmio (CdTe), e testato tre scenari e trattamenti antidoping, usando l'antimonio (Sb), arsenico (As) e fosforo (P). Ciascuno ha portato a serie uniche di proprietà e tutte hanno portato a livelli di doping significativamente più alti, con arsenico e antimonio che danno il massimo.

    "Il tellururo di cadmio assorbe davvero la luce del sole, molto bene, " McCandless ha detto. "Molte proprietà lo rendono fantastico. Ma ricevevamo solo 0,8 volt da ogni cella. Con le sue elevate proprietà di assorbimento e la banda proibita ottimale, dovremmo essere in grado di generare 1,1 volt."

    Ci sono limitazioni termodinamiche quando si coltivano questi film, ma quel problema è stato affrontato nel nuovo processo, pure.

    "Se prendi un reticolo di tellururo di cadmio, prendi uno dei tellurii e metti uno di questi elementi dentro, ora manca un elettrone, " disse McCandless. "A causa della termodinamica, non vuole rimanere in quella condizione. Ma se congeli il reticolo facendolo crescere abbastanza velocemente e raffreddandolo abbastanza velocemente, ottieni quell'elettrone mancante in più - il buco che stiamo cercando - e hai una conduttività più alta."

    Il sistema autostradale dell'elettrone è stato aggiornato, in altre parole.

    Il ricercatore IEC Wayne Buchanan carica il sistema di deposizione per trasporto di vapore con un substrato di vetro rivestito con film nanocristallino in preparazione per la crescita di un film di tellururo di cadmio drogato. Credito:Università del Delaware

    Fino ad ora, l'alto drogaggio di film sottili di tellururo di cadmio era sfuggito a scienziati e ingegneri. Ora sono possibili tensioni superiori a 1 volt ed efficienze del 25%. La parte successiva del puzzle è aumentare il flusso di elettroni adattando altri processi.

    "Abbiamo dimostrato che possiamo fare il doping in modo controllabile, " ha detto. "Ora vogliamo ridurre la quantità incorporata necessaria utilizzando meno di questi elementi e ottenere comunque lo stesso beneficio".

    McCandless e IEC hanno elaborato la chimica e NREL ha elaborato come integrare i film in una cella solare completa con prestazioni più elevate.

    "Hanno convalidato le misurazioni che abbiamo effettuato sui film e replicato la tecnica nel loro laboratorio, " Egli ha detto.

    Lo strumento unico, il sistema di deposizione per trasporto di vapore, è stato sviluppato con l'aiuto di Wayne Buchanan di IEC, Shannon Fields, Greg Hanket, Erten Eser e Bob Birkmire.

    La fenditura di uscita e il gruppo riscaldatore della testa della sorgente progettata e fabbricata da IEC utilizzati per fornire vapore di tellururo di cadmio drogato al substrato. Credito:Università del Delaware

    Maggiore efficienza e tensione avranno meravigliosi effetti a cascata, compresa la riduzione della dipendenza dai combustibili fossili e l'ampliamento dell'accesso alle energie rinnovabili.

    "Mostra alle persone esperte nell'arte che c'è un percorso da seguire per la tensione, "Ha detto McCandless.


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