(PhysOrg.com) -- Stanfords ingenjörer har lyckats utnyttja plasmonik – en framväxande gren av vetenskap och teknik – för att mer effektivt fånga ljus i tunna solceller. Som ett resultat, vi är ett steg närmare smal, billiga solceller.

Forskare inom solenergi talar om en dag då miljontals annars träda kvadratmeter soldränkta tak, fönster, öknar och till och med kläder kommer att integreras med billiga solceller som är många gånger tunnare och lättare än de skrymmande takpaneler som är bekanta idag.

Så, när din iPod är på väg, du kan koppla in den i din skjorta för att ladda. Förlorad i Serengeti med en tråkig mobiltelefon? Inga problem; rullad i din ryggsäck är en lätt solcellsdyna. Seglar du på de sju haven och din GPS behöver lite juice? Hissa ett solsegel och bli ett med gudarna för den geosynkrona omloppsbanan.

Det är inte svårt att föreställa sig en tid då sådan teknik kommer att vara allestädes närvarande i våra allt mer energihungriga liv. Den dagen kan komma lite tidigare tack vare ett tvärvetenskapligt team av Stanford-ingenjörer under ledning av Mike McGehee, Yi Cui och Mark Brongersma, och sällskap av Michael Graetzel vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Vågor av energi

I en artikel publicerad i Avancerade energimaterial , Stanford/EPFL-teamet tillkännagav en ny typ av tunn solcell som kan erbjuda en ny riktning för fältet. De lyckades utnyttja plasmonik – en framväxande gren av vetenskap och teknik – för att mer effektivt fånga ljus i tunna solceller för att förbättra prestandan och föra dem ett steg närmare den dagliga verkligheten.

"Plasmonics gör det mycket lättare att förbättra effektiviteten hos solceller, sa McGehee, en docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford.

McGehee är chef för CAMP – Center for Advanced Molecular Photovoltaics – en multidisciplinär, fleruniversitetsteam som tacklar utmaningarna med tunnfilmssolceller.

"Genom att använda plasmonik kan vi absorbera ljuset i tunnare filmer än någonsin tidigare, ", sa McGehee. "Ju tunnare filmen är, ju närmare de laddade partiklarna är elektroderna. I huvudsak, fler elektroner kan ta sig till elektroden för att bli elektricitet."

Plasmonik är studiet av växelverkan mellan ljus och metall. Under exakta omständigheter, dessa interaktioner skapar ett flöde av högfrekventa, täta elektriska vågor snarare än elektronpartiklar. Den elektroniska pulsen färdas i extremt snabba vågor med större och mindre täthet, som ljud genom luften.

En perfekt solvåffla

Glödlampans ögonblick för teamet kom när de tryckte in ett bikakemönster av gropar i nanoskala i ett lager av metall i solcellen. Se det som en våffla i nanoskala, bara knölarna på våffeljärnet är kupoler snarare än kuber – nanodomar för att vara exakt, var och en bara några miljarddels meter i diameter.

För att göra sin våffla, McGehee och teammedlemmar breder ut ett tunt lager smet på en transparent, elektriskt ledande bas. Denna smet är mestadels titaniumoxid, en halvporös metall som också är transparent för ljus. Nästa, de använder sitt nanovåffeljärn för att trycka in groparna i smeten. Nästa, de lägger på lite smör – ett ljuskänsligt färgämne – som sipprar in i våfflors gropar och porer. Slutligen, ingenjörerna lägger till lite sirap – ett lager silver, som hårdnar nästan omedelbart.

När alla dessa nanodimples fylls upp, resultatet är ett mönster av nanodomer på den ljusriktade sidan av silvret.

Detta ojämna lager av silver har två primära fördelar. Först, den fungerar som en spegel, sprider oabsorberat ljus tillbaka in i färgen för en ny tagning vid insamlingen. Andra, ljuset interagerar med silvernanodomerna för att producera plasmoniska effekter. Dessa kupoler av silver är avgörande. Reflektorer utan dem ger inte den önskade effekten. Och alla gamla nanodomar duger inte heller; de måste ha precis rätt diameter och höjd, och placerade precis så, för att helt optimera plasmoniken.

Om du föreställer dig att ditt nanojag observerar en av dessa solceller i slow motion, du skulle se fotoner komma in och passera genom den genomskinliga basen och titanen (våfflan), vid vilken tidpunkt vissa fotoner skulle absorberas av det ljuskänsliga färgämnet (smöret), skapar en elektrisk ström. De flesta av de återstående fotonerna skulle träffa silverbakåtreflektorn (den härdade sirapen) och studsa tillbaka in i solcellen. En viss del av fotonerna som når silvret, dock, kommer att träffa nanodomerna och få plasmoniska vågor att kursa utåt. Och där har du det – den första plasmoniska färgämnessensibiliserade solcellen någonsin.

Fånga ljuset fantastiskt

Det är lätt att se varför forskare är fokuserade på tunnfilmssolteknik. På senare år har mycket hopp har riktats mot dessa lätta, flexibla celler som använder ljuskänsliga färgämnen för att generera elektricitet. Dessa celler har många fördelar:de är mindre energikrävande och billigare att producera, flyter som tidningspapper från enorma rullpressar. De är tunnare även än andra "tunna" solceller. De går även att skriva ut på flexibla underlag som kan rullas ihop och tas med praktiskt taget var som helst. Många använder giftfria, rikligt tillgängligt material, likaså – ett stort plus i strävan efter hållbarhet.

Färgsensibiliserade solceller är inte utan utmaningar, dock. Till att börja med, de allra bästa omvandlar bara en liten andel ljus till elektricitet – cirka 8 procent. Den mer skrymmande kommersiella tekniken som finns tillgänglig idag har nått 25 procent effektivitet, och vissa avancerade applikationer har toppat 40 procent. Och så finns det hållbarhet. Den senaste tunna solcellen kommer att hålla i cirka sju år under kontinuerlig exponering för väder och vind. Inte illa förrän man tänker på att 20 till 30 år är den kommersiella standarden.

Både effektiviteten och tillförlitligheten måste förbättras. Ändå, ingenjörer som McGehee tror att om de kan omvandla bara 15 procent av ljuset till elektricitet – en siffra som inte är utom räckhåll – och reta livslängden till ett decennium, vi kanske snart befinner oss i de personliga solcellernas tidsålder. Ett framsteg som plasmonics kan bara ge den gnista som krävs för att ta fältet på en ny och spännande väg.

En fråga om ekonomi

Billigare och renare blir nycklarna. Kolbaserad kraft är riklig och billig, men kommer också till en brant miljökostnad i utskurna landskap och förorenade himlar. Med dagens kommersiella priser, dock, även de bästa solenergialternativen kostar fem gånger mer per kilowattimme än kol. Det är klart att ekonomi, och inte teknik, är det som står mellan oss och vår solframtid.

Men McGehee och andra är övertygade om att de kan göra tunna solceller mer attraktiva.