En konventionell solcell, vänster, reflekterar ljus från ytan och tappar ljus som tränger in i cellen. Ny teknologi, höger, utvecklas av Princeton -professor Stephen Chou och kollegor inom elektroteknik, förhindrar båda typerna av förlust och är mycket tunnare. Upphovsman:Illustration av Dimitri Karetnikov
Princeton -forskare har hittat ett enkelt och ekonomiskt sätt att nästan tredubbla effektiviteten hos organiska solceller, de billiga och flexibla plastanordningarna som många forskare tror kan vara framtiden för solenergi.
Forskarna, ledd av elingenjör Stephen Chou, kunde öka effektiviteten 175 procent genom att använda en nanostrukturerad "smörgås" av metall och plast som samlar och fångar ljus. Chou sa att tekniken också borde öka effektiviteten hos konventionella oorganiska solfångare, såsom vanliga kisel solpaneler, även om han varnade för att hans team ännu inte har slutfört forskning med oorganiska enheter.
Chou sa att forskargruppen använde nanoteknik för att övervinna två primära utmaningar som får solceller att tappa energi:ljus som reflekteras från cellen, och oförmågan att helt fånga ljus som kommer in i cellen.
Med sin nya metalliska smörgås, forskarna kunde ta itu med båda problemen. Mackan - kallad en subvåglängd plasmonisk hålighet - har en extraordinär förmåga att dämpa reflektion och fånga ljus. Den nya tekniken gjorde det möjligt för Chous team att skapa en solcell som bara reflekterar cirka 4 procent av ljuset och absorberar så mycket som 96 procent. Det visar 52 procent högre effektivitet vid omvandling av ljus till elektrisk energi än en konventionell solcell.
Det är för direkt solljus. Strukturen uppnår ännu mer effektivitet för ljus som träffar solcellen i stora vinklar, som inträffar på grumliga dagar eller när cellen inte vetter direkt mot solen. Genom att fånga dessa vinklade strålar, den nya strukturen ökar effektiviteten med ytterligare 81 procent, vilket leder till den totala ökningen på 175 procent.
Fysiken bakom innovationen är oerhört komplex. Men enhetens struktur, i konceptet, är ganska enkelt.
Det översta lagret, kallas fönsterskiktet, av den nya solcellen använder ett otroligt fint metallnät:metallen är 30 nanometer tjock, och varje hål är 175 nanometer i diameter och 25 nanometer från varandra. Detta nät ersätter det konventionella fönsterskiktet som vanligtvis är tillverkat av ett material som kallas indium-tennoxid (ITO).
Denna elektronmikroskopbild visar guldnätet skapat av Chou och kollegor. Varje hål är 175 nanometer i diameter, som är mindre än ljusets våglängd. Upphovsman:Bild med tillstånd av Chou -labbet
Maskfönsterskiktet placeras mycket nära smörgåsens undre lager, samma metallfilm som används i konventionella solceller. Mellan de två metallplåtarna finns en tunn remsa av halvledande material som används i solpaneler. Det kan vara vilken typ som helst - kisel, plast eller galliumarsenid-även om Chous team använde en 85 nanometer tjock plast.
Solcellens funktioner - avståndet mellan nätet, smörgåsens tjocklek, hålens diameter - är alla mindre än våglängden för det ljus som samlas in. Detta är kritiskt eftersom ljus beter sig på mycket ovanliga sätt i subvåglängdsstrukturer. Chous team upptäckte att med hjälp av dessa subvåglängdsstrukturer tillät de att skapa en fälla där ljus tränger in, med nästan ingen reflektion, och lämnar inte.
En viktig del av den nya tekniken är ett tunt guldnät, som fungerar som ett "fönsterskikt" för solcellen. Upphovsman:Bild med tillstånd av Chou -labbet
"Det är som ett svart hål för ljus, "Sa Chou." Det fångar det. "
Teamet kallar systemet en "plasmonisk kavitet med subvåglängds hålmatris" eller PlaCSH. Foton av ytan på PlaCSH-solcellerna visar denna ljusabsorberande effekt:under solljus, en vanlig solcellscell ser färgad ut på grund av ljus som reflekteras från dess yta, men PlaCSH ser djupt svart ut på grund av den extremt låga ljusreflektionen.
Forskarna förväntade sig en ökning av effektiviteten från tekniken, "men den ökning vi hittade var klart över våra förväntningar, "Sa Chou.
Chou och doktoranden Wei Ding rapporterade sina fynd i tidningen Optik Express , publicerad online 28 november, 2012. Deras arbete stöddes delvis av Defense Advanced Research Projects Agency, Office of Naval Research och National Science Foundation.
Forskarna sa att PlaCSH-solcellerna kan tillverkas kostnadseffektivt i tapetstorlekar. Chous laboratorium använde "nanoimprint, "en billig nanofabricationsteknik som Chou uppfann för 16 år sedan, som präglar nanostrukturer över ett stort område, som att skriva ut en tidning.
Förutom den innovativa designen, arbetet innebar att optimera systemet. Att få strukturen exakt rätt "är avgörande för att uppnå hög effektivitet, "sa Ding, en doktorand i elektroteknik.
Chou sa att utvecklingen kan ha ett antal applikationer beroende på typ av solfångare. I denna serie experiment, Chou och Ding arbetade med solceller av plast, kallas organiska solceller. Plast är billigt och formbart och tekniken har ett stort löfte, men det har varit begränsat i kommersiell användning på grund av organiska solceller låg effektivitet.
Förutom en direkt ökning av cellernas effektivitet, den nya nanostrukturerade metallfilmen ersätter också den nuvarande ITO -elektroden som är den dyraste delen av de mest aktuella organiska solcellerna.
"PlaCSH är också extremt böjbar, "Sa Chou." ITO:s mekaniska egenskap är som glas; det är väldigt sprött. "
