(PhysOrg.com) - Berkeley Lab -forskare har hittat ett bättre sätt att fånga ljus i fotovoltaiska celler genom att använda vertikala matriser av kisel -nanotrådar. Detta kan avsevärt minska kostnaderna för solenergi genom att minska mängden och kvaliteten på kisel som behövs för effektiva solpaneler.

Solceller tillverkade av kisel beräknas vara en framträdande faktor i framtida förnybara gröna energikvationer, men hittills har löftet överskridit verkligheten. Medan det nu finns kisel solceller som kan omvandla solljus till elektricitet med imponerande 20 procents effektivitet, kostnaden för denna solenergi är oöverkomlig för storskalig användning. Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), dock, utvecklar ett nytt tillvägagångssätt som kan minska dessa kostnader avsevärt. Nyckeln till deras framgång är ett bättre sätt att fånga solljus.

"Genom tillverkning av tunna filmer från beställda matriser av vertikala kisel-nanotrådar har vi kunnat öka ljusinställningen i våra solceller med en faktor 73, Säger kemisten Peidong Yang, som ledde denna forskning. "Eftersom tillverkningstekniken bakom denna extraordinära ljusfångande förbättring är en relativt enkel och skalbar vattenhaltig kemiprocess, vi tror att vårt tillvägagångssätt representerar en ekonomiskt hållbar väg mot högeffektiv, billiga tunnfilms solceller. ”

Yang har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, och University of California Berkeleys kemiavdelning. Han är en ledande auktoritet inom halvledar-nanotrådar-endimensionella remsor av material vars bredd bara mäter en tusendel av ett människohår men vars längd kan sträcka sig flera mikron.

”Typiska solceller är gjorda av mycket dyra ultrarena enkristallkiselskivor som kräver cirka 100 mikrometer tjocklek för att absorbera det mesta av solens ljus, Vår radiella geometri gör det möjligt för oss att effektivt fånga ljus med nanotrådsarrays tillverkade av kiselfilmer som bara är cirka åtta mikrometer tjocka, " han säger. "Vidare, vårt tillvägagångssätt bör i princip tillåta oss att använda metallurgisk eller "smutsigt" kisel snarare än de ultrarena kiselkristallerna som nu krävs, vilket borde sänka kostnaderna ytterligare. ”

Yang har beskrivit denna forskning i en artikel publicerad i tidningen Nano bokstäver , som han författade tillsammans med Erik Garnett, en kemist som då var medlem i Yangs forskargrupp. Tidningen har titeln "Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells."

Generera el från solsken

I hjärtat av alla solceller finns två separata materiallager, en med ett överflöd av elektroner som fungerar som en negativ pol, och ett med ett överflöd av elektronhål (positivt laddade energirum) som fungerar som en positiv pol. När fotoner från solen absorberas, deras energi används för att skapa elektronhålspar, som sedan separeras vid gränssnittet mellan de två skikten och samlas in som elektricitet.

På grund av dess överlägsna fotoelektroniska egenskaper, kisel förblir den valbara fotovoltaiska halvledaren men ökande efterfrågan har höjt priset på råvaran. Vidare, på grund av den höga kristallreningen som krävs, även tillverkningen av den enklaste kiselbaserade solcellen är komplex, energikrävande och kostsam process.

Yang och hans grupp kan minska både kvantitet och kvalitetskrav för kisel genom att använda vertikala uppsättningar av nanostrukturerade radiella p-n-korsningar snarare än konventionella plana p-n-korsningar. I en radiell p-n-korsning, ett lager av kisel av n-typ bildar ett skal runt en kärnan av kisel av p-typ. Som ett resultat, foto-exciterade elektroner och hål färdas mycket kortare sträckor till elektroder, eliminera en flaskhals för laddningsbärare som ofta uppstår i en typisk kiselsolcell. Radialgeometri -matrisen också, som fotoströmmar och optiska överföringsmätningar av Yang och Garrett avslöjade, förbättrar ljusfångst avsevärt.

"Eftersom varje enskild nanotråd i arrayen har en p-n-korsning, var och en fungerar som en individuell solcell, Säger Yang. "Genom att justera längden på nanotrådarna i våra matriser, vi kan öka deras ljuslängdsvägslängd. ”

Medan omvandlingseffektiviteten för dessa solnanotrådar bara var cirka fem till sex procent, Yang säger att denna effektivitet uppnåddes med liten ansträngning för ytpassivering, antireflektion, och andra effektivitetshöjande ändringar.

”Med ytterligare förbättringar, viktigast av allt vid ytpassivering, vi tror att det är möjligt att driva effektiviteten till över 10 procent, Säger Yang.

Genom att kombinera en omvandlingseffektivitet på 10 procent eller bättre med de kraftigt reducerade mängderna av startkiselmaterial och möjligheten att använda metallurgisk kisel, bör göra användningen av kisel nanotrådar en attraktiv kandidat för storskalig utveckling.

Som ett extra plus säger Yang, "Vår teknik kan användas i befintliga tillverkningsprocesser för solpaneler."