För att producera den maximala mängden energi, solceller är designade för att absorbera så mycket ljus från solen som möjligt. Nu forskare från University of California, Berkeley, har föreslagit – och demonstrerat – ett kontraintuitivt koncept:solceller bör utformas för att vara mer som lysdioder, kan både avge ljus och absorbera det.

"Vad vi visade är att ju bättre en solcell är på att sända ut fotoner, ju högre dess spänning och desto större effektivitet kan den producera, " säger Eli Yablonovitch, huvudforskare och professor i elektroteknik vid UC Berkeley.

Sedan 1961, forskare har vetat att under idealiska förhållanden, det finns en gräns för mängden elektrisk energi som kan skördas från solljus som träffar en typisk solcell. Denna absoluta gräns är teoretiskt sett, cirka 33,5 procent. Det betyder att högst 33,5 procent av energin från inkommande fotoner kommer att absorberas och omvandlas till användbar elektrisk energi.

Men i fem decennier, forskare kunde inte komma i närheten av att uppnå denna effektivitet:från och med 2010, det högsta någon hade kommit var bara mer än 26 procent. (Detta är för platt tallrik, "single junction" solceller, som absorberar ljusvågor över en viss frekvens. "Multi-junction" celler, som har flera lager och absorberar flera frekvenser, kan uppnå högre effektivitet.)

På senare tid, Yablonovitch och hans kollegor försökte förstå varför det har funnits ett så stort gap mellan den teoretiska gränsen och den gräns som forskare har kunnat uppnå. När de arbetade, en "sammanhängande bild dök upp, " säger Owen Miller, en doktorand vid UC Berkeley och en medlem av Yablonovitchs grupp. De kom över en relativt enkel, om kanske kontraintuitivt, lösning baserad på ett matematiskt samband mellan absorption och emission av ljus.

"I grunden det är för att det finns en termodynamisk koppling mellan absorption och emission, " säger Miller. Att designa solceller för att avge ljus – så att fotoner inte går förlorade i en cell – har den naturliga effekten att öka spänningen som produceras av solcellen. "Om du har en solcell som är en bra sändare av ljus, det gör också att den producerar en högre spänning, " vilket i sin tur ökar mängden elektrisk energi som kan skördas från cellen för varje enhet av solljus, säger Miller.

Teorin att luminiscerande emission och spänning går hand i hand är inte ny. Men idén hade aldrig övervägts för utformningen av solceller innan nu, fortsätter Miller.

Det senaste året, ett Bay Area-baserat företag som heter Alta Devices, medgrundad av Yablonovitch, använde det nya konceptet för att skapa en prototyp solcell gjord av galliumarsenid (GaAs), ett material som ofta används för att tillverka solceller i satelliter. Prototypen slog rekord, hoppar från 26 procent till 28,3 procent effektivitet. Företaget nådde denna milstolpe, till viss del, genom att designa cellen så att ljus kan strömma ut så lätt som möjligt från cellen – med hjälp av tekniker som inkluderar, till exempel, öka reflektionsförmågan hos backspegeln, som skickar inkommande fotoner tillbaka ut genom enhetens framsida.

Solceller producerar elektricitet när fotoner från solen träffar halvledarmaterialet i en cell. Energin från fotonerna slår loss elektroner från detta material, låter elektronerna flöda fritt. Men processen att slå elektroner fria kan också generera nya fotoner, i en process som kallas luminescens. Tanken bakom den nya solcellsdesignen är att dessa nya fotoner – som inte kommer direkt från solen – ska få fly från cellen så lätt som möjligt.

"Den första reaktionen är vanligtvis, varför hjälper det [att låta dessa fotoner fly]?" säger Miller. "Vill du inte behålla [fotonerna] inne, var de kanske skulle kunna skapa fler elektroner?" matematiskt, att låta de nya fotonerna komma ut ökar spänningen som cellen kan producera.

Arbetet är "en bra, användbart sätt" för att avgöra hur forskare kan förbättra prestandan hos solceller, samt att hitta kreativa nya sätt att testa och studera solceller, säger Leo Schowalter från Crystal IS, Inc. och gästprofessor vid Rensselaer Polytechnic Institute, som är ordförande i CLEO-kommittén för lysdioder, solceller, och energieffektiv fotonik.

Yablonovitch säger att han hoppas att forskare kommer att kunna använda denna teknik för att uppnå effektivitetsvinster nära 30 procent under de kommande åren. Och eftersom arbetet gäller alla typer av solceller, fynden har implikationer inom hela fältet.

Berkeley-teamet kommer att presentera sina resultat vid konferensen om laser och elektrooptik (CLEO:2012), 6-11 maj, San Jose, Calif.