(Phys.org) – Att använda en exotisk form av kisel kan avsevärt förbättra effektiviteten hos solceller, enligt datorsimuleringar av forskare vid University of California, Davis, och i Ungern. Verket publicerades 25 januari i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Solceller är baserade på den fotoelektriska effekten:en foton, eller partikel av ljus, träffar en kiselkristall och genererar en negativt laddad elektron och ett positivt laddat hål. Att samla in dessa elektron-hål-par genererar elektrisk ström.

Konventionella solceller genererar ett elektron-hålpar per inkommande foton, och har en teoretisk maximal verkningsgrad på 33 procent. En spännande ny väg till förbättrad effektivitet är att generera mer än ett elektron-hålpar per foton, sa Giulia Galli, professor i kemi vid UC Davis och medförfattare till uppsatsen.

"Det här tillvägagångssättet kan öka den maximala effektiviteten till 42 procent, bortom alla tillgängliga solceller idag, vilket skulle vara en ganska stor sak, sa huvudförfattaren Stefan Wippermann, en postdoktor vid UC Davis.

"Faktiskt, det finns anledning att tro att om paraboliska speglar används för att fokusera solljuset på en solcell med ett nytt paradigm, dess effektivitet kan nå så högt som 70 procent, sa Wippermann.

Galli sa att nanopartiklar har en storlek på nanometer, vanligtvis bara några få atomer tvärs över. På grund av deras ringa storlek, många av deras egenskaper skiljer sig från bulkmaterial. Särskilt, sannolikheten för att generera mer än ett elektron-hålpar är mycket förhöjd, drivs av en effekt som kallas "kvantinneslutning". Experiment för att utforska detta paradigm eftersträvas av forskare vid Los Alamos National Laboratory, National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colo., samt vid UC Davis.

"Men med nanopartiklar av konventionellt kisel, paradigmet fungerar bara i ultraviolett ljus, "Sade Wippermann. "Det här nya tillvägagångssättet kommer att bli användbart först när det har visat sig fungera i synligt solljus."

Forskarna simulerade beteendet hos en struktur av kisel som kallas kisel BC8, som bildas under högt tryck men är stabil vid normala tryck, ungefär som diamant är en form av kol som bildas under högt tryck men stabilt vid normala tryck.

Datorsimuleringarna kördes genom National Energy Research Scientific Supercomputing Center vid Lawrence Berkeley Laboratory, som gav projektet 10 miljoner timmar superdatortid.

Simuleringarna visade att nanopartiklar av kisel BC8 verkligen genererar flera elektron-hålpar per foton även när de utsätts för synligt ljus.

"Detta är mer än en akademisk övning. En Harvard-MIT-uppsats visade att när normala kiselsolceller bestrålas med laserljus, energin som lasern avger kan skapa ett lokalt tryck som är tillräckligt högt för att bilda BC8 nanokristaller. Således, laser eller kemisk tryckbehandling av befintliga solceller kan göra dem till dessa mer effektiva celler, " sa medförfattaren Gergely Zimanyi, professor i fysik vid UC Davis.