Kada je u pitanju snabdevanje energijom za istraživanje svemira i naselja, obično dostupne solarne ćelije napravljene od silicijum ili galijum arsenida su i dalje preteške da bi se izvodljivo transportovale raketama. Da bi se rešio ovaj izazov, istražuje se širok spektar lakih alternativa, uključujući solarne ćelije napravljene od tankog sloja molibden selenida, koje spadaju u širu kategoriju 2D solarnih ćelija dihalkogenida prelaznog metala (2D TMDC).
Objavljeno 6. juna u inauguracionom broju časopisa Device, istraživači predlažu dizajn uređaja koji može povećati efikasnost 2D TMDC uređaja sa 5%, kao što je već pokazano, na 12%.
„Mislim da ljudi polako shvataju da su 2D TMDC odlični fotonaponski materijali, ali ne za zemaljske aplikacije, već za aplikacije koje su mobilne – fleksibilnije, poput svemirskih aplikacija“, kaže glavni autor i član savetodavnog odbora za uređaje Deep Jarivala sa Univerziteta u Pensilvaniji. „Težina 2D TMDC solarnih ćelija je 100 puta manja od solarnih ćelija silicijum ili galijum-arsenid, tako da su ove ćelije odjednom postale veoma privlačna tehnologija.
Dok 2D TMDC solarne ćelije nisu tako efikasne kao silicijumske solarne ćelije, one proizvode više električne energije po težini, što je svojstvo poznato kao „specifična snaga“. To je zato što sloj koji je debeo samo 3 do 5 nanometara – ili preko hiljadu puta tanji od ljudske kose – apsorbuje količinu sunčeve svetlosti koja je uporediva sa komercijalno dostupnim solarnim ćelijama. Njihova ekstremna mršavost je ono što im donosi oznaku „2D“ — smatraju se „ravnim“ jer su debele samo nekoliko atoma.
„Visoka specifična snaga je zapravo jedan od najvećih ciljeva bilo koje kosmičke tehnologije prikupljanja svetlosti ili energije“, kaže Jarivala. „Ovo nije važno samo za satelite ili svemirske stanice, već i ako želite stvarnu solarnu energiju u svemiru.“
„Broj solarnih ćelija koje biste morali da otpremite je toliko velik da nijedna svemirska vozila trenutno ne mogu da odnesu te vrste materijala tamo na ekonomski isplativ način. Dakle, zaista rešenje je da udvostručite ćelije lakših težina, što daju vam mnogo konkretniju moć“.
Pun potencijal 2D TMDC solarnih ćelija još nije u potpunosti realizovan, pa su Jarivala i njegov tim nastojali da još više podignu efikasnost ćelija. Tipično, performanse ove vrste solarnih ćelija se optimizuju kroz proizvodnju serije testnih uređaja, ali Jarivalin tim veruje da je važno da se to uradi kompjuterskim modeliranjem.
Pored toga, tim smatra da je, da bi se istinski pomerile granice efikasnosti, od suštinskog značaja da se pravilno uzme u obzir jedna od definišnih – i izazovnih za modeliranje – karakteristika uređaja: eksitoni.
Eksitoni se proizvode kada solarna ćelija apsorbuje sunčevu svetlost, a njihovo dominantno prisustvo je razlog zašto 2D TMDC solarna ćelija ima tako visoku solarnu apsorpciju. Solarna ćelija proizvodi električnu energiju kada se pozitivno i negativno naelektrisane komponente eksitona odvode u odvojene elektrode.
Modelirajući solarne ćelije na ovaj način, tim je uspeo da osmisli dizajn sa dvostrukom efikasnošću u poređenju sa onim što je već eksperimentalno demonstrirano.
„Jedinstveni deo ovog uređaja je njegova superrešetkasta struktura, što u suštini znači da postoje naizmenični slojevi 2D TMDC odvojeni odstojnikom ili ne-poluprovodničkim slojem“, kaže Jarivala. „Razmak između slojeva vam omogućava da odbijate svetlost mnogo, mnogo puta unutar ćelijske strukture, čak i kada je ćelijska struktura izuzetno tanka.“
„Nismo očekivali da ćelije koje su tako tanke vide vrednost od 12%. S obzirom na to da je trenutna efikasnost manja od 5%, nadam se da će u narednih četiri do pet godina ljudi zaista pokazati ćelije koje su 10% i više. u efikasnosti“.
Jarivala kaže da je sledeći korak razmišljanje o tome kako da se postigne velika proizvodnja oblanda za predloženi dizajn. „U ovom trenutku sastavljamo ove superrešetke tako što prenosimo pojedinačne materijale jedan na drugi, kao listove papira. Kao da ih kidate sa jedne knjige, a zatim ih lepite kao gomilu lepljivih papirića, “ kaže Jarivala. „Potreban nam je način da uzgajamo ove materijale direktno jedan na drugom.“
