Silikonsolceller har visat sig vara en topp solcellsteknik, eftersom de använder jordnära råvaror (dvs Si) och presterar med hög effektivitet. De är dock baserade på tjocka, styva och tunga wafers och kan därför endast installeras på ett begränsat antal platser. Ett av sätten att övervinna denna nackdel är att istället använda tunna membran. Detta kommer att minska mängden Si med mer än 99% (dramatiskt sparar i råmaterial) och även göra cellerna flexibla och lätta. Som sådana kan dessa celler enkelt integreras i byggnader, stadsarkitektur och även små vardagliga prylar. Problemet är att sådana tunna Si-membran inte kan absorbera ljus lika effektivt. Faktum är att bara 25% av solljuset absorberas och du kan till och med se igenom dem.

Med hjälp av en ny rationellt utformad nanostrukturstruktur har forskare från AMOLF, Surrey University och Imperial College hittat ett sätt att göra de tunna solcellscellerna ogenomskinliga och på så sätt förbättra deras effektivitet. I labbet fann de att sådana strukturerade tunna membran absorberar 65% av solljus, vilket är mycket nära den ultimata teoretiska absorptionsgränsen på ~70%. Detta är den högsta ljusabsorption som någonsin demonstrerats i ett så tunt Si-membran och det är därför troligt att flexibla, lätta och effektiva Si-solcellsceller kommer att utvecklas inom en snar framtid.

Hur fungerar det?

Den mönstrade nanostrukturen omdirigerar på ett klokt sätt rakt solljus till en rad olika vinklar och fångar därigenom ljus inuti Si-membranet. När ljuset fångas har det fler chanser att absorberas och tjockleken på membranet ökar effektivt för ljuset.

Genom att veta vilka ljusvinklar som kommer att fånga fotoner inuti Si-membranet, kan forskarna designa sitt nanomönster baserat på ett tillstånd av materia som ofta finns i naturen, från universums ordning till fördelningen av fotoreceptorer i fågelögon . Medan hyperuniforma distributioner och mönster verkar helt slumpmässiga, finns det en viss ordning. Som sådan kombinerar hyperuniforma mönster det bästa av två världar:

• Ordning gör det möjligt att på ett klokt sätt leda ljus in i mycket specifika vinklar som fångas in i membranet baserat på mönstrets periodicitet.
• Störning gör det möjligt att öka bredden av vinklar som kan uppnås med ett enda mönster, vilket resulterar i ökad absorption.

Forskarna har visat att det inte finns en unik lösning utan snarare en hel familj av hyperuniforma mönsterdesigner som alla erbjuder hög designflexibilitet utan att kompromissa med den optiska prestandan. Detta är mycket viktigt ur implementeringssynpunkt, eftersom inte alla nanomönsterdesigner lätt kan tillverkas på ett skalbart sätt.

Utmaningar

Två viktiga utmaningar när det gäller att fånga solljus i tunn Si är det breda utbudet av färger i solspektrumet tillsammans med membranets begränsade dimensioner. Ur ett fotonikperspektiv är det relativt enkelt att optimera ljusstyrning och fånga en enda färg och det kan göras effektivt med hjälp av periodiska strukturer. Solljus har dock många färger, som var och en upplever olika absorptionsförmåga i Si.

Tjocka Si-solceller har löst detta problem genom att rugga upp ytan med pyramidformade egenskaper med dimensioner som liknar ljusets våglängder (dvs. upp till 1 µm för rött ljus, vilket är mindre än 1 % av den totala Si-tjockleken). Men samma tillvägagångssätt fungerar inte i tunna membran med en tjocklek i storleksordningen ljusets våglängd. Forskargruppen kringgick detta genom att fånga det breda färgintervallet, inklusive de röda, genom att mönstra endast en bråkdel av cellens yta. Sådan mönstring är inte bara tillämpbar på tunn Si, som visas här, utan även på alla andra ljusabsorberande tunnfilmer som behöver extra hjälp för att absorbera ljus.

Ansökan

AMOLFs gruppledare Esther Alarcon Llado säger att "baserat på våra mönsters starka ljusfångande prestanda, uppskattar vi att PV-effektiviteter över 20 % skulle kunna uppnås för en 1 μm tjock c-Si-cell, vilket skulle representera ett absolut genombrott mot flexibel , lätt c-Si PV. Dessutom är tunnare Si-absorbenter mer toleranta mot elektroniska defekter jämfört med de tjocka motsvarigheterna. Detta innebär att tunna Si-celler med hög effektivitet också skulle kunna tillverkas av kisel av lägre kvalitet, vilket minskar energibehovet för rå Si rening och minska sin energiåterbetalningstid."

"Hyperuniform mönstrad tunn PV är en mycket lovande teknik. Även om det fortfarande finns mycket arbete att göra för att göra så tunna högeffektiva celler till en del av vår livsmiljö, gör detta arbete oss mycket optimistiska att detta kommer att hända snart." + Utforska vidare

Störningskonstruerade oorganiska nanokristaller sätter nytt effektivitetsrekord för ultratunna solceller