Rekordeffektivitet i tyndfilm solcelleceller

Siliciumsolceller har vist sig at være en top solcelleteknologi, da de bruger jordrige råmaterialer (dvs. Si) og yder med høj effektivitet. De er dog baseret på tykke, stive og tunge wafers og kan derfor kun monteres et begrænset antal steder. En af måderne at overvinde denne ulempe på er at bruge tynde membraner i stedet for. Dette vil reducere mængden af ​​Si med mere end 99% (dramatisk besparelse i råmaterialer) og også gøre cellerne fleksible og lette. Som sådan kan disse celler nemt integreres i bygninger, byarkitektur og endda små dagligdags gadgets. Problemet er, at sådanne tynde Si-membraner ikke kan absorbere lys lige så effektivt. Faktisk absorberes kun 25% af sollyset, og du kan endda se igennem dem.

Ved hjælp af en ny rationelt designet nanostruktur-tekstur har forskere fra AMOLF, Surrey University og Imperial College fundet en måde at gøre de tynde solcelleceller uigennemsigtige og dermed øge deres effektivitet. I laboratoriet fandt de ud af, at sådanne teksturerede tynde membraner absorberer 65% af sollys, hvilket er meget tæt på den ultimative teoretiske absorptionsgrænse på ~70%. Dette er den højeste lysabsorption, der nogensinde er påvist i en så tynd Si-membran, og det er derfor sandsynligt, at fleksible, lette og effektive Si-solcelleceller vil blive udviklet i den nærmeste fremtid.

Hvordan fungerer det?

Den mønstrede nanostruktur omdirigerer fornuftigt lige sollys ind i en række vinkler og fanger derved lys inde i Si-membranen. Når lyset bliver fanget, har det flere chancer for at blive absorberet, og tykkelsen af ​​membranen øges effektivt for lyset.

Ved at vide, hvilke lysvinkler der vil fange fotoner inde i Si-membranen, er forskerne i stand til at designe deres nanomønster baseret på en tilstand af stof, der ofte findes i naturen, fra universets orden til fordelingen af ​​fotoreceptorer i fugleøjne . Mens hyperensartede fordelinger og mønstre forekommer helt tilfældige, er der en vis orden. Som sådan kombinerer hyperuniforme design det bedste fra begge verdener:

• Rækkefølge giver mulighed for omhyggeligt at lede lys ind i meget specifikke vinkler, der er fanget i membranen baseret på mønsterets periodicitet.
• Forstyrrelse giver mulighed for at øge bredden af ​​vinkler, der kan opnås med et enkelt mønster, hvilket resulterer i øget absorption.

Forskerne har vist, at der ikke er en unik løsning, men snarere en hel familie af hyperuniforme mønsterdesigns, der alle tilbyder høj designfleksibilitet uden at gå på kompromis med den optiske ydeevne. Dette er meget vigtigt fra implementeringssynspunktet, da ikke alle nanomønsterdesigns let kan fremstilles på en skalerbar måde.

Udfordringer

To nøgleudfordringer med at fange sollys i tynd Si er det brede udvalg af farver i solspektret sammen med de begrænsede dimensioner af membranen. Fra et fotonikperspektiv er optimering af lysstyring og indfangning af en enkelt farve relativt enkel, og det kan gøres effektivt ved hjælp af periodiske strukturer. Sollys har dog mange farver, som hver især oplever en forskellig absorptionsevne i Si.

Tykke Si-solceller har løst dette problem ved at gøre overfladen ru med pyramideformede træk med dimensioner svarende til lysets bølgelængder (dvs. op til 1 µm for rødt lys, hvilket er mindre end 1 % af den samlede Si-tykkelse). Den samme fremgangsmåde vil dog ikke fungere i tynde membraner med en tykkelse i størrelsesordenen af ​​lysets bølgelængde. Forskerholdet omgik dette ved at fange det brede spænd af farver, inklusive de røde, ved at mønstre kun en brøkdel af cellens overflade. Sådanne mønstre er ikke kun anvendelige til tynd Si, som vist her, men også til enhver anden lysabsorberende tynd film, der har brug for ekstra hjælp til at absorbere lys.

Ansøgning

AMOLF-gruppeleder Esther Alarcon Llado siger, at "baseret på vores mønstres stærke lysfangende ydeevne, vurderer vi, at PV-effektiviteter over 20% kunne opnås for en 1 μm tyk c-Si-celle, hvilket ville repræsentere et absolut gennembrud i retning af fleksibel , letvægts c-Si PV. Også tyndere Si-absorbere er mere tolerante over for elektroniske defekter sammenlignet med de tykke modstykker. Dette betyder, at tynde Si-celler med høj effektivitet også kunne fremstilles af lavere kvalitet silicium, og derved reducere energibehovet for rå Si oprensning og reduktion af deres energitilbagebetalingstid."

"Hyperuniformt mønstret tynd PV er en meget lovende teknologi. Selvom der stadig er masser af arbejde at gøre for at gøre sådanne tynde højeffektive celler til en del af vores livsmiljø, gør dette arbejde os meget optimistiske om, at dette vil ske snart." + Udforsk yderligere

Uorganiske nanokrystaller, der er udviklet af lidelser, sætter en ny effektivitetsrekord for ultratynde solceller