(PhysOrg.com) - De bäst presterande solcellerna är de som är tillräckligt tjocka för att absorbera ljus från hela solspektrumet, medan de billigaste solcellerna är tunna, eftersom de kräver mindre, och potentiellt billigare, material. I ett försök att kombinera det bästa från två världar, ett team av forskare har beskrivit konstruktioner för solceller som kan absorbera ljus från hela solspektrumet men ändå är så små som 10 nanometer tjocka. Den nya designmetoden, vilket kan leda till förbättrade billiga solceller, kräver att man övervinner en termodynamisk gräns för ljusfångst som föreslogs på 1980-talet.

Forskarna, Dennis Callahan, Jeremy Munday, och Harry Atwater, från California Institute of Technology i Pasadena, Kalifornien, har rapporterat den nya metoden för att fånga ljus över den konventionella gränsen i en studie som publicerades i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .

Deras arbete behandlar en studie från 1982 som föreslog en termodynamisk gräns för hur mycket av det optiska våglängdsområdet som kan absorberas av homogena halvledarplattor. Gränsen kräver att dessa material har en minsta tjocklek för att absorbera ljus från hela solspektrumet. Som ett resultat, dagens halvledarsolceller är generellt utformade med tjocka absorberande lager för att fånga så mycket solljus som möjligt, vilket kan vara dyrt och komplicerat att tillverka.

Tidigare analyser av denna ljusfångstgräns (som ibland kallas för strålningsgränsen eller för ergodisk ljusfångstgräns) har visat att vissa solceller faktiskt överskrider gränsen genom att dra nytta av våginteraktioner. Även om forskare teoretiskt har förklarat hur detta händer i utvalda fall, det finns ingen allmän förklaring som kan utvidgas till att omfatta de många föreslagna ljusinsläppssystemen som också kan överskrida gränsen.

Här, Caltech-forskarna har föreslagit att nyckeln till att övervinna ljusgränsen ligger i att öka densiteten hos en halvledares optiska tillstånd. Eftersom var och en av dessa tillstånd kan acceptera ljus med en viss våglängd, att ha fler av dem kan öka mängden ljus som ett material kan absorbera.

”Det är nu klart hur man ska tänka på och designa solceller som potentiellt kan överskrida denna tidigare ljusgräns, ”Berättade Callahan PhysOrg.com . ”Allt du behöver göra är att tänka på ett sätt att öka tätheten av optiska tillstånd, och sedan fylla dessa stater. Det finns massor av verktyg och metoder som har utformats för att öka densiteten hos optiska tillstånd för andra forskningsområden, till exempel optisk kommunikation och kvantoptik. Men nu kan solcellsforskare ta dessa idéer och sätta dem i rätt sammanhang för solceller med hjälp av vårt arbete. Också, om någon arbetar med en viss typ av solceller, det ska nu vara klart om det har potential att överskrida den tidigare gränsen eller inte. ”

Forskarna visade att vilket halvledarmaterial som helst kan överskrida gränsen för ljusfångning när den lokala densiteten för optiska tillstånd (LDOS) för dess absorberande skikt överstiger LDOS för bulkhalvledarmaterialet. De visar också att det är möjligt att öka absorberarens LDOS till en nivå som behövs för att absorbera 99,9% av solspektrumet även för halvledare så tunna som 10-100 nanometer (jämfört med mikrometertjocka lager som används i dagens kommersiella enheter).

"Våra resultat tyder på att om du kan konstruera den elektromagnetiska miljön på rätt sätt bör det vara möjligt att gå så tunt som 10 nm, ”Sa Callahan. ”Det är bara en fråga om hur man utformar det på ett lämpligt sätt och utan att införa oönskade parasitiska förluster. Detta är verkligen en utmaning, men det är något vi tänker på just nu. Nu, en 10-nm solcell är sannolikt opraktisk av andra skäl som behovet av flera lager, ytkombination, potentiella kvanteffekter, etc., men är fortfarande inom räckvidden för möjligheter. ”

Den viktigaste gränsen för att öka det absorberande lagrets LDOS uppstår på grund av "tätheten av tillstånds summaregler, ”Som säger att ökning av LDOS i en region i spektrumet resulterar i en minskning i en annan region i spektrumet. Som forskarna förklarar, denna bevarande av LDOS sker naturligt genom en process som kallas spektral omvägning, och kan också vara konstgjord. Även om denna regel innebär en övre gräns för en solcells absorbans, forskarna förklarar att det inte bör begränsa solcellsabsorbering för praktiska ändamål. Detta beror på att LDOS -förbättring endast behövs i solspektrumet, medan LDOS kan minskas i alla regioner utanför solspektrumet, ett mycket större område. Av denna anledning, andra fysiska och praktiska gränser, som mättnad eller fabrikationsutmaningar, kommer sannolikt att bli relevant innan en gräns nås för att öka LDOS.

Forskarna visade också att en mängd olika solabsorberdesigner kan uppfylla de grundläggande kriterierna som föreslås här för att överskrida den konventionella gränsen för ljusfångst, d.v.s. uppvisar en LDOS som är högre än bulkmaterialets. Vissa konstruktioner inkluderar användning av plasmoniska material, dielektriska vågledare, fotoniska kristaller, och andra enheter.

"Vi försöker för närvarande hitta sätt att konstruera och öka tätheten av optiska tillstånd så hög vi kan inom en praktisk solcellsdesign, ”Sa Callahan. ”Detta är en utmanande uppgift för högindexmaterial som kisel, men det finns många möjligheter som vi undersöker för närvarande som ser lovande ut. ”

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.