Ultratynde solceller opnår en rekord på næsten 20 procent effektivitet

Forskere ved Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), i samarbejde med forskere ved det tyske Fraunhofer ISE, har fanget sollys effektivt i en solcelle takket være et ultratyndt absorberende lag lavet af 205 nm tyk GaAs på et nanostruktureret bagspejl. Denne nye arkitektur hævede effektiviteten af ​​cellen til næsten 20 procent.

Indtil nu, state-of-the-art solceller med 20 procent effektivitet krævede mindst en mikrometer tykke lag af halvledermateriale (GaA’er, CdTe eller kobber indium gallium selenid), eller endda 40 µm eller mere, i tilfælde af silicium. En betydelig tykkelsesreduktion ville muliggøre materialebesparelser i knappe materialer som tellerium eller indium og forbedringer i industriel gennemstrømning på grund af kortere aflejringstider. Imidlertid, tyndere absorber reducerer automatisk absorption af sollys og konverteringseffektivitet. Et fladt spejl på bagsiden af ​​cellen kan føre til dobbeltpasabsorption, men ikke mere. Tidligere forsøg på lysindfangning har været stærkt begrænset i ydeevne af de optiske og elektriske tab.

Forskere fra teamet ledet af Stéphane Collin og Andrea Cattoni ved Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS/University Paris-Saclay), i samarbejde med Fraunhofer ISE har udviklet en ny strategi for at fange lys i ultratynde lag fremstillet af kun 205 nm tykt galliumarsenid, en halvleder af III-V familien. Den vejledende idé var at producere et nanostruktureret bagspejl for at skabe flere overlappende resonanser i solcellen, identificeret som Fabry-Perot og guidet-mode resonanser. De begrænser lyset til at blive længere i absorberen, hvilket resulterer i effektiv optisk absorption på trods af den lave mængde materiale. Takket være mange resonanser, absorptionen forstærkes over et stort spektralområde, der passer til solspektret fra det synlige til det infrarøde. Kontrol af fremstilling af mønstrede spejle i nanometerskala var et centralt aspekt af projektet. Holdet brugte nanoimprint litografi, en billig, hurtig og skalerbar teknik, at præge en sol-gel-afledt film af titandioxid.

Kan ultratynde solceller forbedres yderligere? Værket offentliggjort i Naturenergi demonstrerer, at denne arkitektur skulle muliggøre 25 procent effektivitet på kort sigt. Selvom grænserne stadig er ukendte, forskerne er overbevist om, at tykkelsen kan reduceres yderligere med mindst en faktor to uden effektivitetstab. GaAs-solceller er stadig kommercielt begrænset til rumapplikationer på grund af deres omkostninger. Imidlertid, forskere arbejder allerede på at udvide dette koncept til storskala solcelleanlæg lavet af CdTe, CIGS eller silicium materialer.