Detta schematiska diagram över en tunnfilm organisk solcell visar det översta lagret, ett mönstrat, grovt spridningsskikt, i grönt. Det organiska tunnfilmskiktet, visas i rött, är där ljus fångas och elektrisk ström genereras. Filmen är inklämd mellan två lager som hjälper till att hålla ljuset i den tunna filmen.
(PhysOrg.com)-Ultratunna solceller kan absorbera solljus mer effektivt än de tjockare, dyrare att göra kiselceller som används idag, eftersom ljus beter sig annorlunda på skalor runt en nanometer, säger Stanford -ingenjörer. De beräknar att genom att korrekt konfigurera tjocklekarna på flera tunna lager av filmer, en tunn organisk polymerfilm kunde absorbera så mycket som 10 gånger mer energi från solljus än man trodde var möjligt.
I det släta, vit, kaninpassad renrumsvärld av kiselskivor och solceller, det visar sig att lite grovhet kan räcka långt, kanske hela vägen till att göra solenergi till en prisvärd energikälla, säger Stanford -ingenjörer.
Deras forskning visar att ljus som rikocheterar inuti polymerfilmen i en solcell beter sig annorlunda när filmen är ultratunn. En film som är nanoskal-tunn och har grovborrats lite kan absorbera mer än 10 gånger den energi som förutses av konventionell teori.
Nyckeln till att övervinna den teoretiska gränsen ligger i att hålla solljuset i solcellens grepp tillräckligt länge för att pressa ut den maximala mängden energi från det, med hjälp av en teknik som kallas "ljusfångning". Det är samma sak som om du använde hamstrar som kör på små hjul för att generera din el - du vill att varje hamster ska logga så många miles som möjligt innan den hoppade av och sprang iväg.
"Ju längre en foton av ljus finns i solcellen, desto större chans att fotonen kan absorberas, "sa Shanhui Fan, docent i elektroteknik. Effektiviteten med vilken ett visst material absorberar solljus är av avgörande betydelse för att bestämma den totala effektiviteten för solenergiomvandling. Fan är seniorförfattare till ett papper som beskriver arbetet som publicerades online den här veckan av Förfaranden från National Academy of Sciences .
Ljusfällning har använts i flera decennier med kiselsolceller och görs genom att grova upp kiselytan så att inkommande ljus studsar inuti cellen en stund efter att den tränger in, snarare än att reflektera direkt ut som det gör från en spegel. Men genom åren, oavsett hur mycket forskare pysslade med tekniken, de kunde inte öka effektiviteten hos typiska "makroskala" kiselceller utöver en viss mängd.
Så småningom insåg forskarna att det fanns en fysisk gräns relaterad till den hastighet med vilken ljuset rör sig inom ett givet material.
Men ljuset har en dubbel natur, ibland bete sig som en fast partikel (en foton) och andra gånger som en våg av energi, och Fan- och postdoktorforskaren Zongfu Yu bestämde sig för att undersöka om den konventionella gränsen för ljusinställning var sann i en nanoskala miljö. Yu är huvudförfattare till PNAS -papperet.
"Vi brukade alla tänka på ljus som att gå i en rak linje, "Fan sa." Till exempel, en ljusstråle träffar en spegel, det studsar och du ser en annan ljusstråle. Det är det typiska sättet vi tänker på ljus i den makroskopiska världen.
"Men om du går ner till de nanoskala som vi är intresserade av, hundratals miljoner av en millimeter i skala, det visar sig att vågkarakteristiken verkligen blir viktig. "
Synligt ljus har våglängder runt 400 till 700 nanometer (miljarddels meter), men även i liten skala, Fan sa, många av de strukturer som Yu analyserade hade en teoretisk gräns som var jämförbar med den konventionella gränsen som bevisats genom experiment.
"En av överraskningarna med detta arbete var att upptäcka hur robust den konventionella gränsen är, "Sa fan.
Det var först när Yu började undersöka ljusets beteende inuti ett material med djup subvåglängdsskala - väsentligt mindre än ljusets våglängd - som det blev uppenbart för honom att ljuset kunde vara begränsat under en längre tid, öka energiabsorberingen bortom den konventionella gränsen i makroskala.
"Mängden nytta av nanoskala inneslutning som vi har visat här är verkligen förvånande, "sa Yu." Att övervinna den konventionella gränsen öppnar en ny dörr för att designa mycket effektiva solceller. "
Yu bestämde genom numeriska simuleringar att den mest effektiva strukturen för att dra nytta av fördelarna med nanoskala inneslutning var en kombination av flera olika typer av lager runt en organisk tunn film.
Han klämde in den organiska tunna filmen mellan två lager av material - kallade "beklädnads" lager - som fungerade som begränsande lager när ljuset passerade genom det övre in i den tunna filmen. Ovanpå det övre beklädnadsskiktet, han placerade ett mönstrat lager med grov yta utformat för att sända det inkommande ljuset i olika riktningar när det kom in i den tunna filmen.
Genom att variera parametrarna för de olika skikten, han kunde uppnå en 12-faldig ökning av ljusabsorptionen i den tunna filmen, jämfört med makroskalgränsen.
Nanoskala solceller erbjuder besparingar i materialkostnader, eftersom de organiska polymeren tunna filmer och andra material som används är billigare än kisel och, vara nanoskala, mängderna som krävs för cellerna är mycket mindre.
De organiska materialen har också fördelen att de tillverkas i kemiska reaktioner i lösning, snarare än att behöva hög temperatur eller vakuumbehandling, som krävs för kiseltillverkning.
"Det mesta av forskningen i dessa dagar undersöker många olika typer av material för solceller, "Fan sa." Där detta kommer att få en större inverkan är i några av de framväxande teknikerna; till exempel, i organiska celler. "
"Om du gör det rätt, det finns en enorm potential förknippad med det, "Sa fan.
Aaswath Raman, en doktorand i tillämpad fysik, arbetade också med forskningen och är medförfattare till tidningen.
