Solceller har kommit långt, men billigt, tunnfilmssolceller ligger fortfarande långt efter dyrare, kristallina solceller i effektivitet. Nu, ett team av forskare föreslår att användning av två tunna filmer av olika material kan vara vägen att gå för att skapa prisvärda, tunnfilmsceller med cirka 34 % effektivitet.

"För tio år sedan visste jag väldigt lite om solceller, men det blev klart för mig att de var väldigt viktiga, sade Akhlesh Lakhtakia, Evan Pugh University professor och Charles Godfrey Binder professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, Penn State.

Undersöker fältet, han fann att forskare närmade sig solceller från två sidor, den optiska sidan – som tittar på hur solens ljus samlas in – och den elektriska sidan – som tittar på hur det insamlade solljuset omvandlas till elektricitet. Optiska forskare strävar efter att optimera ljusfångst, medan elforskare strävar efter att optimera omvandlingen till el, båda sidor förenklar den andra.

"Jag bestämde mig för att skapa en modell där både elektriska och optiska aspekter kommer att behandlas lika, " sa Lakhtakia. "Vi behövde öka den faktiska effektiviteten, för om effektiviteten hos en cell är mindre än 30 % kommer det inte att göra någon skillnad." Forskarna rapporterar sina resultat i ett färskt nummer av Bokstäver i tillämpad fysik .

Lakhtakia är en teoretiker. Han gör inte tunna filmer i ett laboratorium, men skapar matematiska modeller för att testa möjligheterna med konfigurationer och material så att andra kan testa resultaten. Problemet, han sa, var att den matematiska strukturen för att optimera det optiska och det elektriska är väldigt olika.

Solceller verkar vara enkla enheter, han förklarade. Ett klart toppskikt låter solljus falla på ett energiomvandlingsskikt. Materialet som valts för att omvandla energin, absorberar ljuset och producerar strömmar av negativt laddade elektroner och positivt laddade hål som rör sig i motsatta riktningar. De olika laddade partiklarna överförs till ett övre kontaktskikt och ett bottenkontaktskikt som kanaliserar elektriciteten ut ur cellen för användning. Mängden energi en cell kan producera beror på mängden solljus som samlas in och omvandlingsskiktets förmåga. Olika material reagerar på och omvandlar olika våglängder av ljus.

"Jag insåg att för att öka effektiviteten var vi tvungna att absorbera mer ljus, ", sa Lakhtakia. "För att göra det var vi tvungna att göra det absorberande lagret ohomogent på ett speciellt sätt."

Det speciella sättet var att använda två olika absorberande material i två olika tunna filmer. Forskarna valde kommersiellt tillgängliga CIGS - kopparindiumgalliumdiselenid - och CZTSSe - kopparzinktennsvavelselenid - för skikten. Av sig själv, CIGS:s effektivitet är cirka 20 % och CZTSSes är cirka 11 %.

Dessa två material fungerar i en solcell eftersom strukturen hos båda materialen är densamma. De har ungefär samma gallerstruktur, så att de kan odlas ovanpå varandra, och de absorberar olika frekvenser i spektrumet så de borde öka effektiviteten, enligt Lakhtakia.

"Det var fantastiskt, ", sa Lakhtakia. "Tillsammans producerade de en solcell med 34% verkningsgrad. Detta skapar en ny solcellsarkitektur – lager på lager. Andra som faktiskt kan göra solceller kan hitta andra formuleringar av lager och kanske göra det bättre."

Enligt forskarna, nästa steg är att skapa dessa experimentellt och se vilka alternativen är för att få finalen, bästa svaren.