Stanna upp ett ögonblick och föreställ dig ett effektivt motorvägssystem. Inget behov av att jockey för position, ingen choke-point som smälter samman från tre körfält till ett, ingen lång tomgång vid olämpliga trafikljus, inga rullande vägspärrar när bilisten framför dig förbereder sig för en sväng som fortfarande är fem mil bort. Oavsett antal bilar, du skulle veta hur smidig segling ser ut och känns.

Det är det liv som forskare i fast tillstånd vill ha för elektroner när de arbetar med att fånga solens extraordinära energi och omvandla den till elektricitet.

Om det var en enkel lösning – allt det där med att fånga och konvertera – skulle vetenskapsmannen Brian McCandless kunna spendera mer tid med sina säckpipor.

Men han och många andra forskare har slängt iväg utmaningen att förbättra elektrontrafiken i solceller i decennier. McCandless, vid University of Delaware Institute of Energy Conversion, har fokuserat särskilt på konverteringseffektiviteten och kostnaden för tunnfilmssolceller, som erbjuder konkurrenskraftiga priser för solenergiproduktion.

Nu, McCandless och hans medarbetare vid National Renewable Energy Lab i Golden, Colorado, har gjort betydande framsteg, med McCandless UD-patenterade uppfinning som har ett Star Trek-liknande namn – ett Vapor Transport Deposition System – och NREL:s större verifiering av dess förmågor.

Med det, de har visat ett nytt sätt att justera egenskaperna hos tunna filmer som erbjuder ökad effektivitet och minskade kostnader – vilket öppnar dörren för ännu större framsteg.

Deras resultat, gjort med stöd från det amerikanska energidepartementet, publicerades i Nature's Vetenskapliga rapporter .

Tunnfilmsteknik representerar en liten men växande andel av solenergimarknaden jämfört med de mycket vanligare kiselskivorna, men tunna filmer har många fördelar jämfört med dessa wafers. Tunna filmer möjliggör snabb produktion av mer flexibla, lätta solpaneler, utöka möjligheterna för design och tillämpning.

Högvattenmärket för tunnfilmseffektivitet sattes 2016 till 22,1 procent, vilket betyder ungefär att mycket av det infångade solljuset omvandlas direkt till el.

Nu, McCandless sa att han funderade på ord som han inte använder lättvindigt – ett efterlängtat "tekniskt genombrott".

Men först, en kort uppfräschning om hur vi fångar och bearbetar solens energi, som levererar tillräckligt med råvaror på en timme för att driva vår planet under ett helt år.

Den vanligaste metoden för solfångande är de solpaneler du ser på hustak eller vinklade mot himlen i andra miljöer. Speciellt konstruerade celler på dessa paneler – typiskt gjorda av kisel – fångar de energifyllda fotonerna som överdådigt överöser oss i varje ström av solljus. På en solig dag, det finns ca 1, 000 watt solljus träffar varje kvadratmeter av jordens yta.

När dessa solfotoner träffar fotovoltaiska material, de omvandlas till elektroner och hål. När den styrs rätt in i materialet, de kan producera elektrisk spänning och ett flöde av el, resulterar i makt.

Tunnfilmsmaterial består av miljontals kristaller per kvadrattum, skiktade ovanpå grundmaterial som kallas substrat som använder både värme och tryck och "växt" – eller byggt upp – i enhetsstaplar som kallas "solceller". Tricket är att justera egenskapen för varje kristallint korn när denna tillväxt sker.

McCandless patenterade nya verktyg, ångtransportsystemet, används för att göra dessa finjusteringar under filmtillväxt, inkorporering av små mängder ytterligare element i den tunna filmens kristaller vid temperaturer som tillåter kontroll av egenskaperna på sätt som förbättrar solcellens prestanda.

När de inkorporerade atomerna är aktiva, de producerar vad som kallas "doping, " som höjer konduktiviteten och ökar spänningen som kan produceras av cellen. I kombination med andra processer efter tillväxt, effektivt flöde av elektroner till elektroden påskyndas – det sätt som du kan förbättra flödet av motorvägstrafik genom att öppna ett nytt körfält eller lägga till nya åtkomstpunkter. Att hitta rätt blandning av dopning och de andra processerna – en som inte skapar andra problem eller påverkar uthålligheten hos dessa elektroner – är avgörande.

McCandless forskning använde ett av de mest framstående tunnfilmsmaterialen, kadmiumtellurid (CdTe), och testade tre dopingscenarier och behandlingar, använder antimon (Sb), arsenik (As) och fosfor (P). Var och en ledde till unika uppsättningar egenskaper och alla resulterade i betydligt högre dopningsnivåer, med arsenik och antimon som ger högst.

"Kadmiumtellurid absorberar verkligen solljus, väldigt bra, McCandless sade. "Många egenskaper gör det bra. Men vi fick bara ut ungefär 0,8 volt ur någon cell. Med sina höga absorptionsegenskaper och optimala bandgap, vi borde kunna generera 1,1 volt."

Det finns termodynamiska begränsningar när man odlar dessa filmer, men det problemet åtgärdades i den nya processen, för.

"Om du tar ett kadmiumtelluridgitter, ta ut ett av telluren och tryck in ett av dessa element, det saknas nu en elektron, ", sa McCandless. "På grund av termodynamiken, den vill inte stanna i det tillståndet. Men om du fryser gallret genom att odla det tillräckligt snabbt och kyla det tillräckligt snabbt, du får den där extra saknade elektronen – hålet vi är ute efter – och du har högre konduktivitet."

Elektronens motorvägssystem har uppgraderats, med andra ord.

Tills nu, hög doping av kadmiumtellurid tunna filmer hade undgått forskare och ingenjörer. Nu blir spänningar över 1 volt och verkningsgrader på 25 procent möjliga. Nästa del av pusslet är att öka elektronflödet genom att skräddarsy andra processer.

"Vi visade att vi kan göra dopningen kontrollerat, ", sa han. "Nu vill vi minska den inbyggda mängden som behövs genom att använda mindre av dessa element och ändå få samma fördel."

McCandless och IEC har arbetat fram kemin och NREL har utarbetat hur man kan integrera filmerna till en komplett solcell med högre prestanda.

"De validerade mätningarna vi gjorde på filmer och replikerade tekniken i deras laboratorium, " han sa.

Det unika verktyget – ångtransportsystemet – utvecklades med hjälp av IEC:s Wayne Buchanan, Shannon Fields, Greg Hanket, Erten Eser och Bob Birkmire.

Ökad effektivitet och spänning kommer att ha underbara kaskadeffekter, inklusive minskat beroende av fossila bränslen och utökad tillgång till förnybar energi.

"Det visar folk som är skickliga på området att det finns en väg framåt för spänningen, " sa McCandless.