Indfangning af sollys med silicium nanotråde

(PhysOrg.com) - Berkeley Lab-forskere har fundet en bedre måde at fange lys i fotovoltaiske celler ved at bruge lodrette arrays af silicium nanotråde. Dette kunne reducere omkostningerne ved solenergi betydeligt ved at reducere mængden og kvaliteten af ​​silicium, der er nødvendig for effektive solpaneler.

Solceller fremstillet af silicium forventes at blive en fremtrædende faktor i fremtidige vedvarende grøn energi-ligninger, men indtil videre har løftet langt overskredet virkeligheden. Mens der nu er silicium solceller, der kan omdanne sollys til elektricitet med imponerende 20 procent effektivitet, omkostningerne ved denne solenergi er uoverkommelige for storstilet brug. Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), imidlertid, udvikler en ny tilgang, der kan reducere disse omkostninger væsentligt. Nøglen til deres succes er en bedre måde at fange sollys på.

"Gennem fremstillingen af ​​tynde film fra ordnede arrays af vertikale silicium nanotråde har vi været i stand til at øge lysindfangningen i vores solceller med en faktor på 73, ” siger kemiker Peidong Yang, der ledede denne forskning. "Da fremstillingsteknikken bag denne ekstraordinære lysfangende forbedring er en relativt enkel og skalerbar vandig kemiproces, vi mener, at vores tilgang repræsenterer en økonomisk levedygtig vej mod højeffektivitet, lavpris tyndfilmssolceller."

Yang har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division, og University of California Berkeleys kemiafdeling. Han er en førende autoritet inden for halvleder nanotråde - endimensionelle strimler af materialer, hvis bredde kun måler en tusindedel af et menneskehår, men hvis længde kan strække flere mikrometer.

"Typiske solceller er lavet af meget dyre ultrarene enkeltkrystal siliciumwafers, der kræver omkring 100 mikrometers tykkelse for at absorbere det meste af sollyset, der henviser til, at vores radiale geometri gør os i stand til effektivt at fange lys med nanotrådsarrays fremstillet af siliciumfilm, der kun er omkring otte mikrometer tykke, " han siger. "Desuden, vores tilgang skulle i princippet tillade os at bruge metallurgisk kvalitet eller "snavset" silicium frem for de ultrarene siliciumkrystaller, der nu kræves, hvilket burde reducere omkostningerne endnu mere.”

Yang har beskrevet denne forskning i et papir offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , som han skrev sammen med Erik Garnett, en kemiker, der dengang var medlem af Yangs forskningsgruppe. Artiklen har titlen "Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells."

Generering af elektricitet fra sollys

I hjertet af alle solceller er to separate lag af materiale, en med en overflod af elektroner, der fungerer som en negativ pol, og en med en overflod af elektronhuller (positivt ladede energirum), der fungerer som en positiv pol. Når fotoner fra solen absorberes, deres energi bruges til at skabe elektron-hul-par, som derefter adskilles ved grænsefladen mellem de to lag og opsamles som elektricitet.

På grund af dets overlegne fotoelektroniske egenskaber, silicium er fortsat den fotovoltaiske halvleder, der foretrækkes, men stigende efterspørgsel har oppustet prisen på råmaterialet. Desuden, på grund af det høje niveau af krystalrensning, der kræves, selv fremstillingen af ​​den enkleste siliciumbaserede solcelle er en kompleks, energikrævende og omkostningskrævende proces.

Yang og hans gruppe er i stand til at reducere både mængden og kvalitetskravene til silicium ved at bruge vertikale arrays af nanostrukturerede radiale p-n-kryds frem for konventionelle plane p-n-kryds. I et radialt p-n kryds, et lag af n-type silicium danner en skal omkring en p-type silicium nanotrådskerne. Som resultat, foto-exciterede elektroner og huller rejser meget kortere afstande til elektroder, eliminering af en flaskehals, der ofte opstår i en typisk siliciumsolcelle. Det radiale geometriarray også, som fotostrøm og optiske transmissionsmålinger af Yang og Garrett afslørede, forbedrer lysindfangningen i høj grad.

"Da hver enkelt nanotråd i arrayet har et p-n-kryds, hver fungerer som en individuel solcelle, " siger Yang. "Ved at justere længden af ​​nanotrådene i vores arrays, vi kan øge deres lysfangende vejlængde."

Mens konverteringseffektiviteten af ​​disse sol nanotråde kun var omkring fem til seks procent, Yang siger, at denne effektivitet blev opnået med ringe indsats i overfladepassivering, antirefleksion, og andre effektivitetsforøgende modifikationer.

"Med yderligere forbedringer, vigtigst af overfladepassivering, vi tror, ​​det er muligt at presse effektiviteten til over 10 procent, " siger Yang.

Ved at kombinere en konverteringseffektivitet på 10 procent eller bedre med de stærkt reducerede mængder af udgangssiliciummateriale og evnen til at bruge silicium af metallurgisk kvalitet, skal gøre brugen af ​​silicium nanotråde til en attraktiv kandidat til storstilet udvikling.

Som et ekstra plus siger Yang, "Vores teknik kan bruges i eksisterende solpanelfremstillingsprocesser."