Silicon Heterojunction Solar Cells 777x469 1 2
Thông tin công nghệ

Cắt giảm tiếng ồn để cải thiện hiệu quả pin mặt trời

Một sơ đồ hoạt hình của một tế bào năng lượng mặt trời dị liên kết silicon và đó là các điện tích do ảnh tạo ra. Các con số tương ứng với ba trong số các tín hiệu nhiễu điện chính được các nhà nghiên cứu xác định trong nghiên cứu. Các tín hiệu nhiễu này xảy ra khi 1) electron và 3) lỗ trống đi qua các lớp và 2) khi các điện tích bị giữ lại ở ranh giới giữa silicon và lớp ITO trong suốt ở phía trước thiết bị. Tín dụng: Kevin Davenport

Khi xã hội hướng tới một tương lai năng lượng tái tạo, điều quan trọng là các tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng càng hiệu quả càng tốt. Một số tế bào năng lượng mặt trời hiện đại gần với hiệu suất tối đa trên lý thuyết — và các nhà vật lý từ Đại học Utah và Helmholtz-Zentrum Berlin đã tìm ra cách để làm cho chúng tốt hơn nữa.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà vật lý đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ nhiễu tương quan chéo để đo những dao động cực nhỏ của dòng điện chạy giữa các vật liệu bên trong pin mặt trời silicon. Các nhà nghiên cứu đã xác định các tín hiệu nhiễu điện quan trọng hoàn toàn không thể nhìn thấy đối với các phương pháp đo tiếng ồn thông thường. Họ cũng có thể xác định chính xác các quá trình vật lý có thể gây ra tiếng ồn, thường dẫn đến tiêu hao năng lượng và hiệu quả thấp hơn.

“Việc đo tiếng ồn trên một vật thể tương đối đơn giản. Bạn chỉ có thể mua các thiết bị làm được việc đó. Nhưng vấn đề khiến chúng tôi đau đầu là những thiết bị này cũng có tiếng ồn, ”Kevin Davenport , phó giảng viên vật lý tại U và là tác giả chính của bài báo cho biết. “Kỹ thuật tương quan chéo này cho phép chúng tôi không chỉ đo tiếng ồn của thiết bị mà còn đo tiếng ồn của máy dò của chúng tôi và loại bỏ nó để chúng tôi có thể thấy các tín hiệu nhiễu nhỏ hơn nhiều.”

Kỹ thuật này, được công bố vào ngày 24 tháng 6 năm 2021 trên tạp chí Scientific Reports , là một công cụ mới quan trọng để cải thiện giao diện vật liệu cho pin mặt trời tốt hơn hoặc để phân tích sự kém hiệu quả trong các thiết bị phức tạp khác.

“Thật đáng ngạc nhiên về tầm quan trọng của những cải tiến nhỏ về hiệu quả đối với ngành công nghiệp. Đồng tác giả Klaus Lips, giáo sư vật lý tại Freie Universität Berlin và trưởng bộ phận tại Helmholtz-Zentrum Berlin, nơi các pin mặt trời đã được thiết kế và bịa đặt.

“Trước đây, chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật tương quan chéo để nghiên cứu các điốt phát quang cấp nghiên cứu khá đơn giản, nhưng lợi thế của phương pháp này thực sự phát huy tác dụng trong công việc này,” Andrey Rogachev, giáo sư vật lý tại U và đồng tác giả của nghiên cứu. “Và nó vượt ra khỏi ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Trong bất kỳ thiết bị nào có nhiều lớp, mỗi giao diện giữa các vật liệu có thể làm giảm hiệu quả theo một cách nào đó. Nó rất phức tạp, bạn phải thực sự kín đáo để có thể nói những gì đang xảy ra và quan trọng hơn là nơi tiếng ồn cụ thể đang xảy ra. Nó chỉ ra rằng kỹ thuật này cho phép chúng tôi làm điều đó. “

Một phương pháp duy nhất không đủ để hiểu các thiết bị phức tạp. Việc giải thích dữ liệu tiếng ồn đã được hỗ trợ rất nhiều bởi các mô phỏng pin mặt trời được thực hiện bởi CT Trinh, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Helmholtz-Zentrum Berlin và là đồng tác giả của nghiên cứu. Đồng tác giả cuối cùng là Mark Hayward, sau đó là nghiên cứu đại học tại U và hiện là nghiên cứu sinh tại Đại học California, Irvine.

Phân tích tiếng ồn

Nghiên cứu đã phân tích pin mặt trời dị liên kết silicon (HSC), một loại pin mặt trời đơn vật liệu cao cấp và hiện là loại hiệu quả nhất trên thị trường — 26,7% ánh sáng chiếu vào tế bào được chuyển hóa thành điện năng. Ngược lại, các tế bào tạo nên các tấm pin mặt trời trên một ngôi nhà dân dụng có hiệu suất từ 15% đến 20%.

Trong HSC, sự phát điện bắt đầu khi các hạt ánh sáng riêng lẻ gọi là photon bị hấp thụ bởi lớp quang hoạt làm bằng silicon tinh thể và tạo ra các cặp electron mang điện tích âm và các lỗ trống mang điện tích dương, là các điện tích gây ra bởi các electron bị thiếu. Các điện tử và lỗ trống sau đó được kéo theo các hướng ngược nhau bởi một điện trường được tạo ra bởi hai tiếp điểm chọn lọc làm bằng silicon vô định hình đã được hydro hóa biến đổi với các tạp chất. Quá trình này tạo ra dòng điện mà chúng ta sử dụng làm điện năng. Vấn đề là điện cực chọn lọc và silicon hoạt động quang không khớp với nhau một cách hoàn hảo, tạo ra các khuyết tật làm bẫy các electron. Để loại bỏ những khiếm khuyết này trong các tế bào năng lượng mặt trời cấp độ nghiên cứu giống như trong nghiên cứu, các nhà khoa học đặt giữa chúng một lớp siêu mỏng bằng silicon vô định hình tinh khiết. Cuối cùng, tất cả năm lớp này được kẹp giữa hai lớp vật liệu dẫn điện trong suốt, được gọi là ITO, và các điện cực vàng.

Hiệu quả của HSC phụ thuộc vào mức độ kết nối của các lớp khác nhau với nhau. Một chút không phù hợp giữa hai lớp có thể khiến các electron khó đi đến nơi chúng cần đến — một vấn đề sẽ tạo ra tín hiệu nhiễu.

“Vấn đề đó được ẩn giấu bên trong những giao diện này, và thực sự rất khó để có thể phát hiện ra bất kỳ loại tín hiệu nào. Nhưng kỹ thuật nhiễu mà chúng tôi sử dụng rất nhạy cảm với các tín hiệu riêng lẻ thực sự rất nhỏ, ”Davenport nói. Nó giống như nghe một nốt nhạc được chơi bởi các nhạc cụ khác nhau, anh ấy tiếp tục. Nốt C trên violin cũng giống như nốt C trên cello, nhưng chúng nghe có vẻ khác nhau. Nếu bạn muốn phân tích nốt nhạc đó, bạn có thể lấy ra thông tin để tìm hiểu điều gì đó về nhạc cụ tạo ra nó, chẳng hạn như độ dài hoặc chất liệu của dây đàn.

“Chúng tôi làm điều gì đó tương tự như vậy. Chúng ta thấy phổ rộng này của các tín hiệu nhiễu khác nhau và các vị trí khác nhau dọc theo trục tần số. Chúng ta có thể nói, “OK, phần này của ghi chú mà chúng ta thấy, chúng ta có thể quy cho quá trình vật lý này và phần này là một quá trình vật lý khác”, Davenport nói. “Nhưng thiết bị chứa đầy những quá trình này đều tạo ra tiếng ồn và thực sự rất khó để gỡ bỏ chúng — giống như việc cất lên một giọng duy nhất trong dàn đồng ca 200 người. Kỹ thuật này cho phép chúng tôi loại bỏ rất nhiều phần không mong muốn của tín hiệu ”.

Lập bản đồ không hiệu quả

Các HSC silicon rất tuyệt vời nhưng chúng vẫn có giới hạn. Kỹ thuật mới của nhóm nghiên cứu đã xác định các khu vực chính trong thiết bị, nơi các quá trình vật lý cụ thể đang tạo ra tín hiệu điện. Trong tương lai, những điều chỉnh nhỏ ở các giai đoạn này có thể cải thiện hiệu quả của các tế bào này và cả các tế bào năng lượng mặt trời trong tương lai. Sau khi sàng lọc các âm thanh điện để phát hiện ra các tín hiệu liên quan, các nhà vật lý đã chạy một mô phỏng để xác định chính xác những quá trình vật lý đang xảy ra tại vị trí của tín hiệu.

Thế hệ tiếp theo của tế bào năng lượng mặt trời được gọi là tế bào song song, là những chồng vật liệu quang điện khác nhau, mỗi loại đều nhạy cảm với một phần khác nhau của ánh sáng mặt trời, mang lại cho một thiết bị như vậy khả năng tạo ra nhiều năng lượng hơn. Một lớp thiết bị được đề xuất là vật liệu perovskite vé nóng.

“Cùng với nhau, pin mặt trời mới có thể tự mình vượt qua giới hạn của thiết bị silicon, vượt quá 30% hiệu suất,” Lips nói.

Ở mức hiệu quả này, những tổn thất nhỏ rất quan trọng. Một trong những mất mát như vậy đã được quan sát bởi các nhà khoa học vật liệu; sự lắng đọng của ITO trong suốt bằng cách nào đó làm thay đổi các lớp silicon bên dưới, tạo ra các khuyết tật làm giảm hiệu quả của thiết bị. Một trong những tín hiệu nhiễu điện chính mà các nhà nghiên cứu xác định được trong nghiên cứu này là tại giao diện này, nơi các điện tích bị giữ lại và giải phóng. Một tín hiệu chính khác xảy ra khi các lỗ xuyên qua một rào cản tương tự ở mặt sau của thiết bị.

Davenport cho biết: “Khả năng phát hiện những tín hiệu này có nghĩa là chúng tôi có thể hiểu các nguồn của chúng và giảm thiểu chúng.

Tham khảo: “Các quá trình thư giãn trong pin mặt trời dị liên kết silicon được thăm dò qua quang phổ nhiễu” của Kevin Davenport, CT Trinh, Mark Hayward, Klaus Lips và Andrey Rogachev, 24 tháng 6 năm 2021, Báo cáo Khoa học .
DOI: 10.1038 / s41598-021-92866-w

Nghiên cứu tại Đại học Utah được hỗ trợ bởi NSF và tại Helmholtz-Zentrum bởi DFG.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.