(Phys.org) —Forskare har visat hur man kan öka effektiviteten hos tunnfilms solceller, en teknik som kan ge låg kostnad solenergi. Metoden använder 3-D "fotoniska kristaller" för att absorbera mer solljus än konventionella tunnfilmsceller.

De syntetiska kristallerna har en struktur som kallas en "invers opal" för att använda och förbättra egenskaper som finns i ädelstenarna för att reflektera, diffrakt och böj inkommande solljus.

"Vanligtvis, i tunnfilms kisel solceller kommer mycket av solljuset direkt ut igen, men med vårt tillvägagångssätt kommer ljuset in och det bryts, får den att föröka sig i en parallell bana inuti filmen, "sa Peter Bermel, en biträdande professor vid Purdue University's School of Electrical and Computer Engineering och Birck Nanotechnology Center.

Jämfört med solceller gjorda av kiselskivor, kostnaden reduceras 100 gånger för de tunna filmerna. Dock, de är mindre effektiva.

"Frågan är, kan vi kompensera för den lägre effektiviteten genom att införa nya metoder för ljusfällning för tunnfilmsolceller? "sa Bermel." Kan vi kombinera låg kostnad och hög prestanda? "

Forskarna är de första som demonstrerar införlivande av 3-D fotoniska kristaller för att öka ljusinställningen i kristallina kiselsolceller. Experimentella fynd indikerar ungefär en 10 -procentig ökning av effektiviteten jämfört med konventionella kiseltunna filmer, med ytterligare förbättringspotential.

Tekniken är bättre på att absorbera och skörda nära-infrarött ljus.

"En viktig anledning till att tunnfilms kiselsolceller har lägre effektivitet är att de inte absorberar nära-infrarött ljus särskilt effektivt, "Bermel sa." Ljus i det nära infraröda området är viktigt eftersom det finns mycket solenergi i det våglängdsområdet och även för att kisel kan omvandla nära infrarött ljus till energi om det kan absorbera det, men tunna filmer absorberar det inte helt. "

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som publicerades i oktober i den vetenskapliga tidskriften Avancerade optiska material .

Tidningen var författad av doktoranden Leo T. Varghese, som har tagit examen; forskningsprofessor Yi Xuan; doktorand Ben Niu; tidigare doktorand Li Fan, som också har tagit examen; Bermel; och Minghao Qi, docent i el- och datateknik.

Forskarna skapade inversa opaler med hjälp av en process som kallas meniskdriven självmontering.

"Du kan göra dem till anpassad beställning eller design, och vi bestämde oss för att göra dem till solceller för att förbättra absorptionen av ljus, "Sa Qi.

Kisel har under många år varit det dominerande materialet som används i solceller. Dock, solceller av tjocka monokristallina kiselskivor är för dyra för att vara praktiska för utbredd tillämpning. Denna begränsning har drivit ny innovation inom multikristallina och tunnfilms kiselsolceller.

"Vår förutsättning är att bara använda 1 procent så mycket material som en kiselskiva med dessa tunna filmer av kristallint kisel, "Sa Qi.

Ansökningar om tunnfilms solceller inkluderar att generera elektricitet till elnätet och hemmet, samt mindre applikationer som mobil laddning av elektroniska enheter.

Naturliga opaler skapar regnbågsmönster som orsakas när olika våglängder av ljus diffrakteras i olika vinklar. Opaler är gjorda av fasta kiseldioxidkulor i en matris av något annat material. De nya syntetiska strukturerna kallas omvända opaler eftersom de består av ihåliga sfärer av luft omgiven av kisel.

Forskarna bygger först en standard opalstruktur. Sfärerna placeras i en lösning, som avdunstar, lämnar den självmonterade strukturen.

"När det förångas staplas sfärerna ovanpå underlaget precis vid menisken, gränssnittet mellan vätska och luft, "Sa Varghese.

Tillverkare ökar nu ljusabsorptionen genom att etsa eller avsätta slumpmässiga texturer på de tunna filmerna.

"Vi tycker att det är bäst att kombinera både den strukturerade slumpmässigheten såväl som den ordnade strukturen, "Bermel sa." Strukturen hjälper bra med vissa våglängder och den ordnade strukturen hjälper till med andra. "