Högrenat kisel står för upp till 40 procent av de totala kostnaderna för konventionella solcellsmatriser - så forskare har länge försökt att maximera effektuttaget samtidigt som kiselanvändningen minimeras. Nu, ett team på MIT har hittat ett nytt tillvägagångssätt som kan minska tjockleken på kiseln som används med mer än 90 procent samtidigt som den bibehåller hög effektivitet.

Hemligheten ligger i ett mönster av små inverterade pyramider etsade in i kiselytan. Dessa små fördjupningar, var och en mindre än en miljondels meter i diameter, kan fånga ljusstrålar lika effektivt som konventionella solida silikonytor som är 30 gånger tjockare.

De nya rönen rapporteras i tidskriften Nanobokstäver i en artikel av MIT postdoc Anastassios Mavrokefalos, professor Gang Chen, och tre andra postdoktorer och doktorander, hela MIT:s avdelning för maskinteknik.

"Vi ser vår metod som att förbättra prestandan hos tunnfilmssolceller, ” säger Mavrokefalos, men det skulle faktiskt fungera för alla silikonceller. "Det skulle öka effektiviteten, oavsett tjocklek, ” säger han.

Doktorand Matthew Branham, en medförfattare till tidningen, säger, "Om du dramatiskt kan minska mängden kisel [i en solcell] ... kan du potentiellt göra stor skillnad i produktionskostnaden. Problemet är, när du gör den väldigt tunn, det absorberar inte ljus lika bra."

Driften av en solcell sker i två grundläggande steg:För det första, en inkommande ljuspartikel, kallas en foton, kommer in och absorberas av materialet, snarare än att reflektera från dess yta eller passera rakt igenom. Andra, elektroner som slås loss från sina atomer när den fotonen absorberas måste sedan ta sig till en tråd där de kan utnyttjas för att producera en elektrisk ström, snarare än att bara fångas av andra atomer.

Tyvärr, de flesta ansträngningar för att öka förmågan hos tunt kristallint kisel att fånga fotoner – till exempel genom att skapa en skog av små kiselnanotrådar på ytan – ökar också avsevärt materialets yta, öka chansen att elektroner kommer att rekombinera på ytan innan de kan utnyttjas.

Det nya tillvägagångssättet undviker det problemet. De små ytfördjupningarna - teamet kallar dem "inverterade nanopyramider" - ökar ljusabsorptionen avsevärt, men med bara en 70-procentig ökning av ytan, begränsa ytrekombination. Med denna metod, ett ark av kristallint kisel bara 10 mikrometer (miljondelar av en meter) tjockt kan absorbera ljus lika effektivt som en konventionell kiselwafer 30 gånger så tjock.

Det kan inte bara minska mängden dyra, mycket renat kisel som behövs för att göra solcellerna, Mavrokefalos förklarar, men också minska vikten av cellerna, vilket i sin tur skulle minska materialet som behövs för ramar och stöd. De potentiella kostnadsbesparingarna finns "inte bara i cellmaterialet, men också i installationskostnaderna, ” säger han.

Dessutom, tekniken som utvecklats av Mavrokefalos och hans kollegor använder utrustning och material som redan är standarddelar av kiselchipsbehandling, så inga nya tillverkningsmaskiner eller kemikalier skulle behövas. "Det är väldigt lätt att tillverka, ” säger Mavrokefalos, men "det attackerar stora problem."

För att skapa små bucklor, forskarna använder två uppsättningar av överlappande laserstrålar för att producera exceptionellt små hål i ett lager av material - som kallas fotoresist - som avsätts ovanpå kislet. Denna interferenslitografiteknik är skalbar till ett stort område. Efter flera mellansteg, en kemikalie som kallas kaliumhydroxid används för att lösa bort delar av ytan som inte täcktes av fotoresisten. Kristallstrukturen av kisel leder denna etsning till att producera de önskade pyramidformerna i ytan, säger Mavrokefalos.

Än så länge, teamet har bara tagit det första steget mot att tillverka den nya typen av solceller, producerar den mönstrade ytan på en kiselwafer och demonstrerar dess förbättring när det gäller att fånga ljus. Nästa steg blir att lägga till komponenter för att producera en verklig solcell och sedan visa att dess effektivitet är jämförbar med den för konventionella solceller. Förväntningen är att det nya tillvägagångssättet ska ge energiomvandlingseffektiviteter på cirka 20 procent – ​​jämfört med 24 procent för de bästa nuvarande kommersiella solcellerna i kisel – men detta återstår att bevisa i praktiken.

Chen, Carl Richard Soderberg professor i kraftteknik och chef för MIT:s Pappalardo Micro and Nano Engineering Laboratories, säger att om allt går bra, systemet kan leda till kommersiella produkter inom en snar framtid.

Chen säger att idén utvecklades efter att ha analyserat en stor variation av möjliga ytkonfigurationer i datorsimuleringar, och hitta det arrangemang som visade de största potentiella förbättringarna i prestanda. Men många team runt om i världen eftersträvar en mängd metoder för att förbättra solcellsprestanda med olika material, tillverkningsmetoder och konfigurationer.

"Det är svårt att välja en vinnare, " säger han, men detta tillvägagångssätt lovar mycket. "Vi är ganska optimistiska över att det här är ett hållbart tillvägagångssätt."

Yi Cui, en docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford University, säger att detta arbete gav "mycket spännande resultat. Den potentiella praktiska effekten av detta arbete kan vara betydande, eftersom det ger en effektiv struktur för fotonhantering för att möjliggöra tunna celler."

Cui säger att eftersom kostnaden för kiselmaterialet "bidrar avsevärt till kostnaden för solceller, "Att utveckla tunna kiselsolceller som fortfarande kan absorbera fotoner effektivt "är viktigt för att minska kostnaderna."

Arbetet, som också involverade postdoktorerna Sang Eon Han och Selcuk Yerci, stöddes av U.S. Department of Energys Sunshot Program och av National Science Foundation.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.