Solceller, der er tyndere end lysets bølgelængder, rummer et enormt strømpotentiale

(PhysOrg.com) -- Ultratynde solceller kan absorbere sollys mere effektivt end de tykkere, dyrere at fremstille siliciumceller, der bruges i dag, fordi lys opfører sig anderledes på skalaer omkring en nanometer, siger Stanford-ingeniører. De beregner, at ved at konfigurere tykkelsen af ​​flere tynde lag film korrekt, en organisk polymer tynd film kunne absorbere så meget som 10 gange mere energi fra sollys, end man troede var muligt.

I det glatte, hvid, kanin-egnet ren-rum verden af ​​silicium wafers og solceller, det viser sig, at lidt ruhed kan komme langt, måske hele vejen til at gøre solenergi til en overkommelig energikilde, siger Stanford-ingeniører.

Deres forskning viser, at lys rikochetterende rundt inde i polymerfilmen i en solcelle opfører sig anderledes, når filmen er ultratynd. En film, der er tynd i nanoskala og er blevet ruet lidt op, kan absorbere mere end 10 gange den energi, der forudsiges af konventionel teori.

Nøglen til at overvinde den teoretiske grænse ligger i at holde sollyset i solcellens greb længe nok til at presse den maksimale mængde energi fra den, ved hjælp af en teknik kaldet "lysfangst". Det er det samme, som hvis du brugte hamstere, der kørte på små hjul, til at generere din elektricitet - du vil gerne have, at hver hamster logger så mange kilometer som muligt, før den hoppede af og løb væk.

"Jo længere en foton af lys er i solcellen, jo større chance for at fotonen kan blive absorberet, " sagde Shanhui Fan, lektor i elektroteknik. Den effektivitet, hvormed et givet materiale absorberer sollys, er af afgørende betydning for at bestemme den samlede effektivitet af solenergiomdannelse. Fan er seniorforfatter til et papir, der beskriver værket, der blev offentliggjort online i denne uge af Proceedings of the National Academy of Sciences .

Lysindfangning har været brugt i flere årtier med siliciumsolceller og gøres ved at gøre overfladen af ​​silicium ru for at få indkommende lys til at hoppe rundt inde i cellen et stykke tid efter, at det er trængt ind, snarere end at reflektere lige ud, som det gør fra et spejl. Men gennem årene, uanset hvor meget forskerne pillede med teknikken, de kunne ikke øge effektiviteten af ​​typiske "makroskala" siliciumceller ud over en vis mængde.

Til sidst indså forskerne, at der var en fysisk grænse relateret til den hastighed, hvormed lyset bevæger sig i et givet materiale.

Men lys har en dobbelt natur, nogle gange opfører sig som en fast partikel (en foton) og andre gange som en bølge af energi, og Fan og postdoc-forsker Zongfu Yu besluttede at undersøge, om den konventionelle grænse for lysindfangning holdt stik i en nanoskala-indstilling. Yu er hovedforfatteren af ​​PNAS-avisen.

"Vi plejede alle at tænke på lys som at gå i en lige linje, " sagde Fan. "F.eks. en lysstråle rammer et spejl, den hopper, og du ser endnu en lysstråle. Det er den typiske måde, vi tænker lys på i den makroskopiske verden.

"Men hvis du går ned til de nanoskalaer, som vi er interesserede i, hundreder af milliontedele af en millimeter i skala, det viser sig, at bølgekarakteristikken virkelig bliver vigtig."

Synligt lys har bølgelængder omkring 400 til 700 nanometer (milliarddele af en meter), men selv i den lille skala, Fan sagde, mange af de strukturer, som Yu analyserede, havde en teoretisk grænse, der kan sammenlignes med den konventionelle grænse, der er bevist ved eksperiment.

"En af overraskelserne med dette arbejde var at opdage, hvor robust den konventionelle grænse er, " sagde Fan.

Det var først da Yu begyndte at undersøge lysets opførsel inde i et materiale med dyb subbølgelængdeskala - væsentligt mindre end lysets bølgelængde - at det blev tydeligt for ham, at lys kunne være indespærret i længere tid, øget energioptagelse ud over den konventionelle grænse på makroskalaen.

"Mængden af ​​fordele ved indeslutning i nanoskala, vi har vist her, er virkelig overraskende, " sagde Yu. "At overvinde den konventionelle grænse åbner en ny dør til at designe højeffektive solceller."

Yu fastslog gennem numeriske simuleringer, at den mest effektive struktur til at udnytte fordelene ved nanoskala indeslutning var en kombination af flere forskellige typer lag omkring en organisk tynd film.

Han lagde den organiske tynde film ind mellem to lag af materiale - kaldet "beklædningslag" - der fungerede som begrænsende lag, når lyset passerede gennem det øverste ind i den tynde film. Ovenpå det øverste beklædningslag, han placerede et mønstret lag med ru overflade, designet til at sende det indkommende lys af i forskellige retninger, når det trænger ind i den tynde film.

Ved at variere parametrene for de forskellige lag, han var i stand til at opnå en 12-dobling af absorptionen af ​​lys i den tynde film, sammenlignet med makroskalagrænsen.

Nanoskala solceller giver besparelser i materialeomkostninger, da de organiske polymer tynde film og andre anvendte materialer er billigere end silicium og, er nanoskala, de mængder, der kræves til cellerne, er meget mindre.

De organiske materialer har også den fordel, at de fremstilles i kemiske reaktioner i opløsning, snarere end at have brug for højtemperatur- eller vakuumbehandling, som kræves til siliciumfremstilling.

"Det meste af forskningen i disse dage undersøger mange forskellige slags materialer til solceller, " Fan sagde. "Hvor dette vil have en større indflydelse er i nogle af de nye teknologier; for eksempel, i organiske celler."

"Hvis du gør det rigtigt, der er et enormt potentiale forbundet med det, " sagde Fan.

Aaswath Raman, en kandidatstuderende i anvendt fysik, arbejdede også på forskningen og er medforfatter til papiret.