En solcell är i grunden en halvledare, som omvandlar solljus till elektricitet, mellan metallkontakter som bär den elektriska strömmen.

Men denna mycket använda design har ett fel:den glänsande metallen ovanpå cellen reflekterar faktiskt solljus bort från halvledaren där elektricitet produceras, minska cellens effektivitet.

Nu, Forskare från Stanford University har upptäckt hur man döljer den reflekterande övre kontakten och trattljuset direkt till halvledaren nedan. Deras resultat, publiceras i tidskriften ACS Nano , kan leda till ett nytt paradigm i design och tillverkning av solceller.

"Med nanoteknik, vi har utvecklat ett nytt sätt att göra den övre metallkontakten nästan osynlig för inkommande ljus, " sade studiens huvudförfattare Vijay Narasimhan, som utförde arbetet som doktorand vid Stanford. "Vår nya teknik kan avsevärt förbättra effektiviteten och därmed sänka kostnaden för solceller."

Spegelliknande metall

I de flesta solceller, den övre kontakten består av ett metalltrådsnät som transporterar elektricitet till eller från enheten. Men dessa ledningar hindrar också solljus från att nå halvledaren, som vanligtvis är gjord av kisel.

"Ju mer metall du har på ytan, ju mer ljus du blockerar, " sa studiens medförfattare Yi Cui, en docent i materialvetenskap och teknik. "Det ljuset går då förlorat och kan inte omvandlas till el."

Metallkontakter, därför, "ställs inför en till synes oförsonlig kompromiss mellan elektrisk ledningsförmåga och optisk transparens, " Narasimhan tillade. "Men nanostrukturen vi skapade eliminerar den kompromissen."

För studien, Stanford-teamet placerade en 16 nanometer tjock film av guld på ett platt ark av kisel. Guldfilmen var full av en rad fyrkantiga hål i nanostorlek, men för ögat, ytan såg ut som en glänsande, guld spegel.

Optisk analys visade att den perforerade guldfilmen täckte 65 procent av kiselytan och reflekterade, i genomsnitt, 50 procent av det inkommande ljuset. Forskarna resonerade att om de på något sätt kunde dölja den reflekterande guldfilmen, mer ljus skulle nå kiselhalvledaren nedanför.

Kisel nanopelare

Lösningen:Skapa nanostora pelare av kisel som "tornar" över guldfilmen och riktar om solljuset innan det träffar metallytan.

Att skapa nanopelare av kisel visade sig vara en kemisk process i ett steg.

"Vi nedsänkte kislet och den perforerade guldfilmen tillsammans i en lösning av fluorvätesyra och väteperoxid, " sa doktorand och studiemedförfattare Thomas Hymel. "Guldfilmen började genast sjunka in i kiselsubstratet, och nanopelare av kisel började dyka upp genom hålen i filmen."

Inom sekunder, kiselpelarna växte till en höjd av 330 nanometer, förvandlar den glänsande guldytan till en mörkröd. Denna dramatiska färgförändring var en tydlig indikation på att metallen inte längre reflekterade ljus.

"Så snart kiselnanopelarna började dyka upp, de började leda ljus runt metallgallret och in i kiselsubstratet under, ", förklarade Narasimhan.

Han jämförde nanopelarmatrisen med ett durkslag i din diskbänk. "När du slår på kranen, inte allt vatten tar sig igenom hålen i durkslaget, " sa han. "Men om du skulle lägga en liten tratt ovanpå varje hål, det mesta av vattnet skulle rinna rakt igenom utan problem. Det är i grunden vad vår struktur gör:nanopelarna fungerar som trattar som fångar ljus och leder det in i kiselsubstratet genom hålen i metallgallret."

Stort lyft

Forskargruppen optimerade sedan designen genom en serie simuleringar och experiment.

"Solceller skuggas vanligtvis av metalltrådar som täcker 5 till 10 procent av den övre ytan, " Narasimhan sa. "I vår bästa design, nästan två tredjedelar av ytan kan täckas med metall, ändå är reflektionsförlusten bara 3 procent. Att ha så mycket metall kan öka ledningsförmågan och göra cellen mycket mer effektiv när det gäller att omvandla ljus till elektricitet."

Till exempel, denna teknik kan öka effektiviteten hos en konventionell solcell från 20 procent till 22 procent, en betydande ökning, han sa.

Forskargruppen planerar att testa designen på en fungerande solcell och bedöma dess prestanda under verkliga förhållanden.

Hemliga kontakter

Förutom guld, nanopelararkitekturen kommer också att fungera med kontakter gjorda av silver, platina, nickel och andra metaller, sa doktoranden och medförfattaren Ruby Lai.

"Vi kallar dem hemliga kontakter, eftersom metallen gömmer sig i skuggorna av kiselnanopelarna, " sa hon. "Det spelar ingen roll vilken typ av metall du lägger i där. Det kommer att vara nästan osynligt för inkommande ljus."

Förutom kisel, denna nya teknik kan användas med andra halvledande material för en mängd olika applikationer, inklusive fotosensorer, lysdioder och displayer, genomskinliga batterier, samt solceller.

"Med de flesta optoelektroniska enheter, man bygger vanligtvis halvledaren och metallkontakterna separat, sade Cui, meddirektör för Department of Energy's Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC). "Våra resultat föreslår ett nytt paradigm där dessa komponenter designas och tillverkas tillsammans för att skapa ett högpresterande gränssnitt."