Nanopiller øger effektkonverteringseffektiviteten for tyndfilmssolceller markant

En af de største udfordringer i verden i dag er energikrisen. Den store efterspørgsel og det lave udbud af fossilt brændstof driver olie- og fødevarepriserne op. Siliciumbaserede solceller er en af ​​de mest lovende teknologier til at generere ren og vedvarende energi. Brug af disse enheder til at omdanne kun en brøkdel af det sollys, der rammer jorden hver dag, til elektricitet, kan drastisk reducere samfundets afhængighed af fossile brændstoffer. Desværre, imidlertid, højkvalitets siliciumkrystaller kræver stor omhu under fremstillingsprocessen, gør de deraf følgende høje produktionsomkostninger til en af ​​de største hindringer på vejen mod kommercialisering.

En måde at nedbringe produktionsomkostningerne for disse solceller er at afsætte lag af silicium på billigere underlag som plastik eller glas. Imidlertid, denne tilgang har en ulempe:tynde siliciumfilm har lavere effektkonverteringseffektivitet end bulk-siliciumkrystaller, fordi de absorberer mindre lys og indeholder flere defekter. Patrick Lo ved A*STAR Institute of Microelectronics og kolleger har nu opdaget en tilgang til at øge effektkonverteringseffektiviteten af ​​tynde siliciumfilm aflejret på billige substrater.

Lavkvalitets silicium tynde film lider af et iboende problem:de kan ikke absorbere fotoner, hvis bølgelængder er større end deres filmtykkelse. For eksempel, en standard, 800 nm tyk tynd film kan fange blåt lys med kort bølgelængde, men vil helt savne længere bølgelængde rødt lys. "For at holde materialeomkostningerne lave og forbedre lyseffektiviteten, Tricket er at fange flere fotoner, inklusive dem med mellembølgelængder, " siger Lo.

En måde at fange flere fotoner i den tynde siliciumfilm på er at skære små siliciumsøjler - hundredvis af nanometer store - i siliciumoverfladen (se billedet). Lo forklarer, at siliciumnanopillerne er som en skov af træer, hvor lyset kommer ind og ikke nemt kan komme ud. "Når lys rammer overfladen, den hopper et par gange mere langs eller inde i søjlerne, før den trænger ind i den nederste flade overflade, ” siger han. "Hver hoppende begivenhed øger chancerne for fotonabsorption."

Lo og kolleger brugte computersimuleringer til at bestemme den bedste konfiguration til at udvinde elektriske ladninger fra de defektfyldte siliciumfilm. De fandt ud af, at den øverste del af hver søjle kan gøres ekstremt ledende ved at indføre store mængder dopingmidler. Lo og kolleger bruger nu disse praktiske retningslinjer til at konstruere en prototype af dette unikke koncept. "At arbejde med nanostrukturer er en vidunderlig måde at åbne stier, der kunne overvinde grænserne sat af konventionel fysik, ” konstaterer han.