I strävan att göra solkraften mer konkurrenskraftig, forskare designar ultratunna solceller som minskar materialkostnaderna. Samtidigt håller de dessa tunna celler effektiva genom att skulptera deras ytor med fotovoltaiska nanostrukturer som beter sig som en molekylär sal av speglar.
"Vi vill se till att ljus spenderar mer kvalitetstid inuti en solcell, sa Mark Brongersma, en professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford och medförfattare till en översiktsartikel i Naturmaterial .
Brongersma och två Stanford-kollegor – docent i materialvetenskap och teknik Yi Cui och professor i elektroteknik Shanhui Fan – undersökte 109 nya vetenskapliga artiklar från team runt om i världen.
Deras översikt kretsar kring ett grundläggande tema:att titta på de många olika sätt som forskare försöker maximera kollisioner mellan fotoner och elektroner i de tunnaste möjliga skikten av solcellsmaterial. Målet är att avslöja trender och bästa praxis som hjälper till att driva utvecklingen inom området.
Solenergi produceras när fotoner av ljus kolliderar med elektronerna i en fotovoltaisk kristall. När lösa elektroner rör sig genom kristallen, de genererar en elektrisk ström.
Dagens solceller är redan tunna. De består av lager av solcellsmaterial, i allmänhet kisel, i genomsnitt 150 till 300 mikrometer, vilket är ungefär diametern på två till tre människohår.
När ingenjörer fortsätter att raka ner dessa dimensioner måste de utveckla nya molekylära fällor och snaror för att säkerställa att fotoner inte bara susar genom sina ultratunna solceller innan de elektriska gnistorna kan flyga.
"Mycket av spänningen nu handlar om att använda fotonikens principer för att hantera ljusvågor på det mest effektiva sättet, ", sa Fan. "Det finns kanske hundratals grupper i världen som arbetar med det här."
Översiktsartikeln ger en överblick över hur forskare försöker designa strukturer för att underlätta interaktioner mellan de oändliga anstiftarna av solström, fotonerna och elektronerna.
Forskning står inför enorma utmaningar när det gäller att försöka bygga nanostrukturer anpassade för att fånga ljus. Solljus består av många färger. När vi ser regnbågen, vad vi ser är resultatet av atmosfärisk fukt som fungerar som ett prisma för att böja ljus till dess beståndsdelar. Att skapa olika nanostrukturer för att fånga krukan av fotoner i slutet av varje färg på regnbågen är en del av vad denna forskning handlar om.
Ändå, forskare rapporterar redan om viss framgång
"Vi ser system som använder en hundradel så mycket solcellsmaterial som dagens solceller samtidigt som de får 60 procent till 70 procent av den elektriska effekten, sa Brongersma.
Det vanligaste solcellsmaterialet är en raffinerad form av kisel som liknar den som finns i datorchips. Detta material står för 10 procent till 20 procent av en solcells kostnad. Att sänka dessa utgifter 100-faldigt skulle därför ha en avsevärd effekt på den totala kostnadseffektiviteten för produktion av solenergi.
Men Cui säger att sänkta materialkostnader bara är en del av drivkraften bakom ultratunn solenergi. En annan fördel är flexibilitet. På grund av tjockleken på det ljusfångande kiselskiktet, dagens solceller måste hållas styva så att deras kristallgitter inte skadas och elektronflödet störs.
"Men vid 10 mikrometers tjocklek har kisel en hög grad av mekanisk flexibilitet, sade Cui, citerar en dimension som är mindre än en tiondel av tjockleken på solcellsskiktet inuti dagens solceller.
Cui, vem har gjort just ett sådant experimentellt material, visar en film där man flaxar detta tunna kisel som ett papper och klipper det med en sax (se separata videor; flaxar /ovan/ och klipper /nedan/). Dessa tunna kiselremsor innehåller några av de fotonfångande nanostrukturerna som beskrivs i Naturmaterial artikel. Cui säger att ljus-till-energiomvandlingseffektiviteten för tunt kisel närmar sig den för det styva kiseln i dagens solceller.
Att flaxa kisel är inte bara ett vetenskapsprojekt. Sådan flexibilitet skulle ge utdelning när det gäller installation, som står för ungefär en tredjedel av den totala kostnaden för en solcellspanel på taket. "Dessa tunna kiselceller kan bäddas in i flexibel plast, göra installationen som att rulla ut en matta, sa Cui.
Men även när forskare lyckas få ut mer av mindre, många hinder återstår enligt Fan, som utvecklar datormodeller för att studera hur olika nanostrukturer och material kommer att påverka foton-elektroninteraktioner.
"Det finns ett oändligt antal strukturer, så det är inte möjligt att modellera dem alla, " han sa, anspelande på vad han kallade de "teoretiska flaskhalsarna" som hindrar vetenskaplig förståelse av detta eteriska rike där ljus och materia skär varandra.
"Till exempel, just nu, vi har verkligen inget sätt att veta när vi har fått ut det mesta av våra fotoner, " sa Fan.
