Teoretisk set to lag er bedre end et for solcelleeffektivitet

Solceller er nået langt, men billigt, tyndfilm solceller er stadig langt bagefter dyrere, krystallinske solceller i effektivitet. Nu, et team af forskere foreslår, at brug af to tynde film af forskellige materialer kan være vejen at skabe overkommelige, tynde filmceller med cirka 34% effektivitet.

”For ti år siden vidste jeg meget lidt om solceller, men det blev klart for mig, at de var meget vigtige, "sagde Akhlesh Lakhtakia, Evan Pugh universitetsprofessor og Charles Godfrey Binder Professor i ingeniørvidenskab og mekanik, Penn State.

Undersøger området, han fandt ud af, at forskere nærmede sig solceller fra to sider, den optiske side - se på hvordan solens lys indsamles - og den elektriske side - se på hvordan det opsamlede sollys omdannes til elektricitet. Optiske forskere bestræber sig på at optimere lysoptagelse, mens elektriske forskere stræber efter at optimere konvertering til elektricitet, begge sider forenkler den anden.

"Jeg besluttede at skabe en model, hvor både elektriske og optiske aspekter vil blive behandlet ens, "sagde Lakhtakia." Vi havde brug for at øge den faktiske effektivitet, for hvis effektiviteten af ​​en celle er mindre end 30%, vil det ikke gøre en forskel. "Forskerne rapporterer deres resultater i en nylig udgave af Anvendt fysik bogstaver .

Lakhtakia er en teoretiker. Han laver ikke tynde film i et laboratorium, men skaber matematiske modeller for at teste mulighederne for konfigurationer og materialer, så andre kan teste resultaterne. Problemet, han sagde, var, at den matematiske struktur for optimering af det optiske og det elektriske er meget forskellige.

Solceller ser ud til at være enkle enheder, forklarede han. Et klart øverste lag tillader sollys at falde på et energiomdannelseslag. Det materiale, der er valgt til at omdanne energien, absorberer lyset og producerer strømme af negativt ladede elektroner og positivt ladede huller, der bevæger sig i modsatte retninger. De forskelligt ladede partikler overføres til et øverste kontaktlag og et bundkontaktlag, der kanaliserer elektriciteten ud af cellen til brug. Mængden af ​​energi, en celle kan producere, afhænger af mængden af ​​sollys, der opsamles og omdannelseslagets evne. Forskellige materialer reagerer på og konverterer forskellige bølgelængder af lys.

"Jeg indså, at for at øge effektiviteten var vi nødt til at absorbere mere lys, "sagde Lakhtakia." For at gøre dette var vi nødt til at gøre det absorberende lag nonhomogent på en særlig måde. "

Den særlige måde var at bruge to forskellige absorberende materialer i to forskellige tynde film. Forskerne valgte kommercielt tilgængelige CIGS - kobberindium galliumdiselenid - og CZTSSe - kobberzink tin svovl selenid - til lagene. I sig selv, CIGS effektivitet er omkring 20% ​​og CZTSSe er omkring 11%.

Disse to materialer fungerer i en solcelle, fordi strukturen i begge materialer er den samme. De har nogenlunde samme gitterstruktur, så de kan dyrkes oven på hinanden, og de absorberer forskellige frekvenser i spektret, så de bør øge effektiviteten, ifølge Lakhtakia.

"Det var forbløffende, "sagde Lakhtakia." Sammen producerede de en solcelle med en effektivitet på 34%. Dette skaber en ny solcellearkitektur - lag på lag. Andre, der rent faktisk kan lave solceller, kan finde andre lagformuleringer og måske gøre det bedre. "

Ifølge forskerne, det næste trin er at oprette disse eksperimentelt og se, hvad mulighederne er for at få den endelige, bedste svar.