Solární článek s kvantovými jámami dosáhl účinnosti téměř 40 procent  
Odborníci amerických laboratoří National Renewable Energy Laboratory (NREL) nedávno vyvinuli nový typ solárního článku s kvantovými jámami, který pokořil rekord v účinnosti solárních článků, pracujících v přirozených podmínkách. Pokud se jim podaří v budoucnu snížit výrobní náklady, mohl by nalézt praktické uplatnění.
Solární článek s kvantovými jámami. Kredit: Wayne Hicks / NREL.
Solární článek s kvantovými jámami. Kredit: Wayne Hicks / NREL.

Technologie solárních článků se bouřlivě řítí vpřed a klátí jeden rekord za druhým. Tým amerických laboratoří National Renewable Energy Laboratory (NREL) nedávno pokořil rekord v činnosti solárních článků, když s novým zařízením, jehož součástí jsou kvantové jámy (quantum well), dosáhli účinnosti 39,5 procent. Jde o nejvyšší dosaženou účinnost s jakýmkoliv typem solárního článku v reálných podmínkách, které odpovídaly ozáření Sluncem.

Struktura solárního článku s kvantovými jámami. Kredit: France et al. (2022), Joule.
Struktura solárního článku s kvantovými jámami. Kredit: France et al. (2022), Joule.

 

Absolutní rekord v účinnosti solárních článků se totiž blíží 47 procentům, což ale platí pro vysoce koncentrované světelné záření. Ryan France a jeho spolupracovníci v rámci svého nového úspěchu vlastně překonali svůj vlastní rekord v účinnosti solárních článků z roku 2020, kdy dosáhli 39,2 procent. Pro srovnání, běžně používané křemíkové články a nedávno vyvinuté perovskitové články se dostávají jen asi k 25 procentům, zatímco tandemové solární články, které tyto dva materiály kombinují, se blíží k zhruba 30 procentům.

 

Tým NREL svůj článek testoval i pro použití v kosmickém prostoru. Zajímalo je, zda by se mohl stát součástí energetických zdrojů satelitů a kosmických lodí. V takových podmínkách nový článek dosáhly účinnosti 34,2 procent, což rovněž není k zahození.

Ryan France. Kredit: NREL
Ryan France. Kredit: NREL

 

Zmíněný článek je založený na vícepřechodové architektuře IMM (inverted metamorphic multijunction). Článek zahrnuje 3 přechody (junctions), tedy komponenty zodpovědné za generování elektrického proudu díky dopadajícímu záření. Každý ze tří přechodů přitom tvoří jiný materiál. Svrchní je z fosfidu gallia a india, prostřední z arsenidu gallia a ten spodní je z arsenidu gallia a india. Tyto materiály využívají různé oblasti spektra slunečního záření, díky čemuž článek vytěží více energie.

 

Dalším zásadním prvkem nového článku, který přispěl k jeho rekordní účinnosti, je, že prostřední vrstva obsahuje kvantové jámy. Jde o potenciálové jámy, které omezují pohyb elektronů prakticky na dvourozměrný prostor, díky čemuž tento materiál „zpracuje“ více slunečního záření. Badatelé zdůrazňují, že jde sice o průlom, ale výroba takového solárního článku by v současné době byla dost nákladná. Další výzkum by se proto měl soustředit na snížení nákladů a s ním spojené praktické uplatnění článku.

 

Literatura

New Atlas 19. 5. 2022.

Joule 6: 1121–1135.

Datum: 26.05.2022
Tisk článku

Související články:

Kvantové jámy jako účinné sběrače energie     Autor: Stanislav Mihulka (29.10.2013)
Zombie články by mohly pohánět indoor aplikace Internetu věcí     Autor: Stanislav Mihulka (31.05.2020)
Pokročilé solární materiály těží energii z indoor osvětlení     Autor: Stanislav Mihulka (18.11.2020)



Diskuze:

Zajímavé využití

Tomáš Černák,2022-05-26 14:24:30

Teoreticky by se dalo takových článků využít ve fúzních elektrárnách. Tam by se účinnosti dosahovalo poměrně snadno, protože světlo z jaderné reakce má nosnou energii na poměrně úzké vlnové délce (tedy konstrukce solárů by byla snazší). Přitom by se takto těžila jen nejvíce energetické záření a stále by zůstávalo dost tepla (světla na vyšších vlnových délkách) pro kogeneraci skrze MHD a následně i parní okruh. Účinnost takového systému by byla fenomenální.

Ale mám obavu, že solární články s vysokou výtěžností budou asi dost citlivé na ionizující záření, které odfiltrovat nepůjde.

Odpovědět


Re: Zajímavé využití

Tomas Novak,2022-05-26 16:49:43

To je nesmysl. Energie zareni ve fuznich elektrarnach je naopak v extreme sirokem spektru, od viditelneho po gama. Nejvic je nekde ve VUV az SXR, kde zadne solarni clanky neexistuji. Navic neutronove poskozeni by znicilo takovy clanek temer okamzite.

Odpovědět


Re: Zajímavé využití

Mintaka Earthian,2022-05-29 11:26:24

Nicméně myšlenka, využít a neutralizovat záření, které poškozuje stěny reaktoru, to je dobrá myšlenka.

Odpovědět

Účinnost

David Oplatek,2022-05-26 13:57:35

Z jakého důvodu je vlastně účinnost panelů tak nízká? V čem jsou ty materiály tak limitované?

Odpovědět


Re: Účinnost

Tomáš Černák,2022-05-26 14:18:56

Máš to na tom obrázku "Struktura solárního článku s kvantovými jámami. Kredit: France et al. (2022), Joule."

Zjednodušeně řečeno, tak jako jsou LED didody monochromatické, jsou i solární články "monochromatické". Tj. neumí využít energie celého spektra. Na každou vlnovou délku je vhodnější jiná konstrukce a složení článku. Proto jsou tyhle laboratorní rekordmani obvykle sendviče z mnoha variant, jak to vidíš na tom obrázku.

Problém je, že potřebuješ aby vrstvy byly pro svou pracovní vlnovou délku co nejvíce absorpční avšak pro jiné vlnové délky co nejvíce průhledné, aby se tyto vlnové délky na té vrstvě neproměnily v teplo a mohly být přeměněny na elektřinu v dalších vrstvách.

Jinak není pravda, že panely mají nízkou účinnost. Těch dnešních průmyslově dosažitelných 23% je výborná účinnost. A to nejen ve srovnání s jinými elektrofyzikálními přeměnami, ale i třebas s párou. Vem si, že například elektrocentrály dosahují obvykle pod 18%. Pokud by bylo dosáhnuto v průmyslovém měřítku třebas 50%, znamenalo by to v podstatě rekord pro jakýkoliv typ generování elektřiny.

Odpovědět


Re: Re: Účinnost

David Oplatek,2022-05-26 14:40:54

Dík.

Odpovědět


Re: Re: Účinnost

Jan Novák9,2022-05-26 22:59:16

Nevím kde jste našel 18%. efektivita motoru je 30-36%, efektivita generátoru skoro 100%. A to je efektivita motoru v autě kde pracuje ve velkém rozmezí otáček a zátěže, ne ve stálém provozu jako v elektrocentrále.

Odpovědět


Re: Re: Re: Účinnost

Tomáš Černák,2022-05-27 00:44:54

Tak mi kámo najdi elektrocentrálu, co papká 3 deci (200 g) benálu na kWh.

Jinak účinnost motoru 36 % je pouze pro specifické, vymazlené diesely a jen při jedněch konkrétních otáčkách, nikoliv v celém rozsahu. A samozřejmě na hřídeli, nikoliv dále. Účinnost generátoru je skoro 96%.

Ale rád se nechám přesvědčit o opaku. Stačí najít jen tu centrálu, co dá těch 36% mezi benálem a svorkami.

PS: Ano, vím o pomaloběžných, velkoobjemových dieselech (spíše mazutech) od Wärtsilä, které atakují 50% na hřídeli a tak dají i přes redukční převodovku a generátor klidně i 35-40% účinnosti mazit-elektrody. Ovšem to už jsou fakt extrémy.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Účinnost

Josef Šoltes,2022-05-27 23:14:49

Další věc je, že z výfuku těch velkoobjemových dieselů nelezou zrovna kytičky.

Odpovědět

Fotosyntéza

Mojmir Kosco,2022-05-26 13:17:19

Má chlorofyl to nemá!

Odpovědět


Re: Fotosyntéza

Daniel Suchon,2022-05-26 22:22:35

Ale ma. Maximalna mozna ucinnost fotosyntezy je cca 4% aj to za predpokladu dostatku ostatnych vyzivovych zdrojov. Realne to bude okolo 2% ucinnosti.

Odpovědět


Re: Re: Fotosyntéza

Tomáš Černák,2022-05-27 00:55:19

Je to poněkud více. Navíc je třeba si uvědomit, co je účinnost. Samotný fotochemický proces má účinnost cca 25%. Ale protože pracuje jen v necelé polovině slunečního světelného spektra, klesá to na na cca 11% fotochemického procesu z celé vlnové délky. Ale protože rostlina není laboratorní pokus, tak kvůli refrakcí, vlhkosti, natočení listů, pohybu rostliny, vad listu, nutnosti jiných organel na listu (dýchací otvory) atd, klesá reálná účinnost světlo na plochu - cukr někam k 6%. Jenže když to porovnáváme s FV panely, tak u nich taky nedegradujeme účinnost tím, že tvrdíme, že není vždy ideálně natočen či že je zaprášený/mokrý. Jeho maximální reálná účinnost je uváděna pro ideální, avšak dosažitelný stav. Tedy ekvivalentem pro rostlinu je minimálně účinnost fotochemického procesu pro celou vlnovou délku, tedy těch 11%.

Odpovědět


Re: Fotosyntéza

Daniel Suchon,2022-05-26 22:27:38

Ale ma. Maximalna mozna ucinnost fotosyntezy je cca 4% aj to za predpokladu dostatku ostatnych vyzivovych zdrojov. Realne to bude okolo 2% ucinnosti.

Odpovědět


Re: Re: Fotosyntéza

Mojmir Kosco,2022-05-27 07:39:01

Účinnost vlastního fyzikálního děje tj. záchyt fotonu a jeho proměna na energii se pohybuje mezi 20 - 100% nejčastěji kolem 70% a zcela jistě využívá kvantových jevů včetně kvantových děr .

To ,že říkáme že energetický "zisk" biomasy je cca 1% znamená že rostlina spotřebuje 99% energie na vlastní růst a množení. Zároveň i v článku je zmiňované že solární článek nepracuje v celém spektru a jeho rozsah není uveden. Tj. v tom spektru ve kterém pracuje má účinnost 50% . Porovnáme-li celkový zisk nedokonalejšího energetického lidského výtvoru což je jaderná elektrárna tak její účinnost je 0,04%. I když na primáru je to až 40 % . U uhelných je na primáru účinnost vyšší ale celkový energetický zisk nižší.

Takže to vlastně znamená že rostlina pro sebe a svoje "zájmy " má účinnost 99%.
A po použití nenáviděného selské rozumu . V případě že by rostliny měly účinnost dejme tomu 11% na primáru .

tak za a) musely bychom nosit slunečné brýle do lesa ( 89 %) by rostlina odrazila
za b) každý strom by měl chladicí pec - gutace je sice účinné chlazení ale rostliny ji využívají pokud možno minimálně přece jenom přicházejí o vodu.

za c) rostliny by hřály vysoce přes 100C a přitom se snaží aby se nedostaly přes 50 pak bídně hynou

Odpovědět


Re: Re: Re: Fotosyntéza

Jiří Kocurek,2022-05-27 17:32:02

A pro zásobování vesmírné sondy energií je to k ničemu. Ale ušetřená hmotnost tím, že stačí menší plocha článků, to se počítá.

Odpovědět

Cena pôjde hore, nie dole

Zicho Trenčiansky,2022-05-26 10:37:37

If future demand for indium exceeds the
quantities available as a byproduct, more costly sources of indium will be necessary to
satisfy demand from thin-film producers, raising the possibility that indium prices could
be much higher than current and recent prices.

• Relevant for the long term, indium is one of the scarcer elements, at least in terms of
average abundance in the Earth’s crust. Thus, even if indium were available in the
short to medium term at prices making CIGS materials competitive with competing
photovoltaic materials, such competitiveness could be short lived.

https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/62409.pdf

Zaujímavý výskum, ale využitie je len okrajové, tam kde sa inak nedá, napr. na vesmírnych družiciach.

Každopádne, tým že v týchto článkoch chybá informácia o tom, že je to nepoužiteľné vo veľkom merítku sa vyvoláva o ušlachtilej a uvedomelej nazelenalej časti verenosti dojem, že "je to možné" a toto je budúcnosť svetovej energetiky. No nie je.

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace