Forskare vid Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), i samarbete med forskare vid tyska Fraunhofer ISE, har fångat solljus effektivt i en solcell tack vare ett ultratunt absorberande lager av 205 nm tjocka GaA på en nanostrukturerad backspegel. Denna nya arkitektur höjde cellens effektivitet till nästan 20 procent.

Tills nu, toppmoderna solceller med 20 procents effektivitet krävde minst en mikrometer tjocka lager av halvledarmaterial (GaAs, CdTe eller kopparindiumgalliumselenid), eller till och med 40 µm eller mer, när det gäller kisel. En betydande tjockleksminskning skulle möjliggöra materialbesparingar av knappa material som tellerium eller indium och industriella genomströmningsförbättringar på grund av kortare avsättningstider. Dock, förtunningsabsorbent minskar automatiskt absorptionen av solljus och omvandlingseffektiviteten. En platt spegel på baksidan av cellen kan leda till dubbelpassabsorption, Men inte längre. Tidigare försök till ljusinfångning har varit mycket begränsade i prestanda av de optiska och elektriska förlusterna.

Forskare i teamet som leds av Stéphane Collin och Andrea Cattoni vid Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS/University Paris-Saclay), i samarbete med Fraunhofer ISE har utvecklat en ny strategi för att fånga ljus i ultratunna lager gjorda av endast 205 nm tjock galliumarsenid, en halvledare av III-V-familjen. Den vägledande idén var att producera en nanostrukturerad backspegel för att skapa flera överlappande resonanser i solcellen, identifieras som Fabry-Perot och resonanser i guidad mod. De begränsar ljuset för att stanna längre i absorbatorn, vilket resulterar i effektiv optisk absorption trots den låga mängden material. Tack vare många resonanser, absorptionen förstärks över ett stort spektralområde som passar solspektrumet från det synliga till det infraröda. Att kontrollera tillverkningen av mönstrade speglar i nanometerskala var en nyckelaspekt i projektet. Teamet använde nanoimprint litografi, en billig, snabb och skalbar teknik, för att prägla en sol-gel-härledd film av titandioxid.

Kan ultratunna solceller förbättras ytterligare? Verket publicerat i Naturenergi visar att denna arkitektur bör möjliggöra 25 procents effektivitet på kort sikt. Även om gränserna fortfarande är okända, forskarna är övertygade om att tjockleken kan minskas ytterligare med minst en faktor två utan effektivitetsförlust. GaAs-solceller är fortfarande kommersiellt begränsade till rymdtillämpningar på grund av deras kostnad. Dock, forskare arbetar redan med att utvidga detta koncept till storskaliga solceller tillverkade av CdTe, CIGS eller silikonmaterial.