(Phys.org) – Forskare vid U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) har producerat solceller med nanoteknik med en effektivitet – 18,2 % – som är konkurrenskraftig. Genombrottet borde vara ett stort steg mot att hjälpa till att sänka kostnaden för solenergi.
NREL skräddarsydde en nanostrukturerad yta samtidigt som den säkerställde att den ljusgenererade elen fortfarande kan samlas in effektivt från solcellen. Forskarna gjorde nano-öar av silver på en kiselskiva och doppade den kort i vätskor för att göra miljarder hål i nanostorlek i varje kvadrattum av kiselskivans yta. Hålen och kiselväggarna är mindre än ljusets våglängder som träffar dem, så att ljuset inte känner igen någon plötslig förändring i densitet vid ytan och, Således, reflektera inte tillbaka in i atmosfären som bortkastad energi. Forskarna kontrollerade nanoformerna och den kemiska sammansättningen av ytan för att nå rekord solcellseffektivitet för detta "svarta kisel"-material.
Pappret, "En 18,2 % effektiv solcell av svart kisel uppnådd genom kontroll av bärarrekombination i nanostrukturer" av NREL:s Jihun Oh, Hao-Chih Yuan, och Howard Branz, visas för närvarande på Naturens nanoteknik s webbplats.
Vanligtvis, solcellstillverkare måste lägga till ett extra antireflexskikt, eller två, till sina celler, vilket ökar kostnaderna avsevärt.
NREL hade tidigare visat att deras nanostrukturer reflekterade mindre ljus än de bästa antireflektionsskikten i en solcell. Men tills nu, de hade inte kunnat uppnå total effektivitet med sina svarta kiselceller som kunde närma sig de bästa betygen för andra kiselceller.
Åh, Yuan, och Branz, först behövde fastställa varför den ökade ytan av nanostrukturerna dramatiskt minskade insamlingen av elektricitet och skadade spänningen och strömmen i cellerna.
Deras experiment visade att området med hög yta, och speciellt en process som kallas Auger-rekombination, begränsa insamlingen av fotoner på de flesta nanostrukturerade solceller. De drog slutsatsen att denna Auger-rekombination orsakas när för många av de dopningsföroreningar som lagts in för att få cellen att fungera kommer genom den nanostrukturerade ytan.
Denna vetenskapliga förståelse gjorde det möjligt för dem att undertrycka Auger-rekombination med lättare och grundare doping. Genom att kombinera denna lättare doping med något mjukare nanoformer, de kan bygga en 18,2 % effektiv solcell som är svart men som svarar nästan idealiskt på nästan hela solspektrumet.
Energidepartementet finansierade forskningsanslaget genom American Recovery and Reinvestment Act.
Branz, bidragets huvudutredare, sa, "Detta arbete kan ha stor inverkan på både konventionella och nya solceller baserade på nanotrådar och nanosfärer. För första gången visar det att riktigt bra solceller kan tillverkas av nanostrukturerade halvledare."
Branz lade till, "Nästa utmaningar är att översätta dessa resultat till vanlig industriell praxis och sedan få effektiviteten över 20%. Efter det, Jag hoppas få se den här typen av nanostruktureringstekniker användas på mycket tunnare celler för att använda mindre halvledarmaterial."
"Nu har vi en tydlig studie som visar hur optimering av ytan och dopningen tillsammans kan ge bättre effektivitet, "Yan sa. "Ytan och dopningskoncentrationen nära ytan påverkar nanostrukturerade solcellers prestanda."
Förste författare, Åh, en NREL-postdoktor sa att NREL-studien "tydligt visar att den rätta kombinationen av en noggrant nanostrukturerad yta och bra bearbetning kan minska kostnaderna samtidigt som den minskar oönskad reflektion av solljus."
