Forskere designer solceller, der overskrider den konventionelle lysindfangningsgrænse

(PhysOrg.com) -- De bedst ydende solceller er dem, der er tykke nok til at absorbere lys fra hele solspektret, mens de billigste solceller er tynde, da de kræver mindre, og potentielt billigere, materiale. I et forsøg på at kombinere det bedste fra to verdener, et team af forskere har skitseret designs til solceller, der kan absorbere lys fra hele solspektret, men alligevel er så lidt som 10 nanometer tykke. Den nye designtilgang, hvilket kan føre til forbedrede billige solceller, kræver at overvinde en termodynamisk lysindfangningsgrænse foreslået i 1980'erne.

Forskerne, Dennis Callahan, Jeremy Munday, og Harry Atwater, fra California Institute of Technology i Pasadena, Californien, har rapporteret den nye metode til lysindfangning ud over den konventionelle grænse i en undersøgelse offentliggjort i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Deres arbejde omhandler en undersøgelse fra 1982, der foreslog en termodynamisk grænse for, hvor meget af det optiske bølgelængdeområde, der kan absorberes af homogene bulk-halvlederplader. Grænsen kræver, at disse materialer har en minimumstykkelse for at absorbere lys fra hele solspektret. Som resultat, Nutidens halvledersolceller er generelt designet med tykke absorberende lag for at fange så meget sollys som muligt, som kan være dyrt og kompliceret at fremstille.

Tidligere analyser af denne lysindfangningsgrænse (som nogle gange kaldes den stråleoptiske grænse eller ergodisk lysindfangningsgrænse) har vist, at nogle solceller faktisk overskrider grænsen ved at drage fordel af bølgeinteraktioner. Selvom forskere teoretisk har forklaret, hvordan dette sker i udvalgte tilfælde, der er ingen generel forklaring, der kan udvides til den brede vifte af foreslåede lysindfangningsordninger, som også kan være i stand til at overskride grænsen.

Her, Caltech-forskerne har foreslået, at nøglen til at overvinde lysindfangningsgrænsen ligger i at øge tætheden af ​​en halvleders optiske tilstande. Fordi hver af disse tilstande kan acceptere lys af en bestemt bølgelængde, at have flere af dem kan øge mængden af ​​lys, et materiale kan absorbere.

"Det er nu klart, hvordan man tænker på og designer solceller, der potentielt kan overskride denne tidligere lysindfangningsgrænse, ” fortalte Callahan PhysOrg.com . "Alt du skal gøre er at tænke på en måde at øge tætheden af ​​optiske tilstande, og derefter befolke disse stater. Der er masser af værktøjer og metoder, der er designet til at øge tætheden af ​​optiske tilstande til andre forskningsområder, for eksempel optisk kommunikation og kvanteoptik. Men nu kan solcelleforskere tage disse ideer og sætte dem i den passende sammenhæng for solceller ved hjælp af vores arbejde. Også, hvis nogen arbejder med en bestemt type solcelle, det skulle nu stå klart, om det har potentiale til at overskride den tidligere grænse eller ej."

Forskerne påviste, at ethvert halvledermateriale kan overskride lysindfangningsgrænsen, når den lokale tæthed af optiske tilstande (LDOS) af dets absorberende lag overstiger LDOS for bulk-halvledermaterialet. De viser også, at det er muligt at forbedre absorberens LDOS til et niveau, der er nødvendigt for at absorbere 99,9% af solspektret, selv for halvledere så tynde som 10-100 nanometer (sammenlignet med mikrometertykke lag, der bruges i nutidens kommercielle enheder).

"Vores resultater tyder på, at hvis du kan konstruere det elektromagnetiske miljø på den rigtige måde, burde det være muligt at blive så tyndt som 10 nm, " sagde Callahan. "Det er bare et spørgsmål om, hvordan man designer det hensigtsmæssigt og uden at introducere uønskede parasitære tab. Dette er bestemt en udfordring, men er noget vi tænker på lige nu. Nu, en 10-nm solcelle er sandsynligvis upraktisk af andre årsager, såsom behovet for flere lag, overflade rekombination, potentielle kvanteeffekter, etc., men er stadig inden for mulighedernes område."

Den vigtigste grænse for at øge det absorberende lags LDOS opstår på grund af "densiteten af ​​staters sumregler, ” som siger, at forøgelse af LDOS i en region af spektret resulterer i et fald i en anden region af spektret. Som forskerne forklarer, denne bevarelse af LDOS sker naturligt ved en proces kaldet spektral genvægtning, og kan også potentielt fremstilles kunstigt. Selvom denne regel pålægger en øvre grænse for absorbansen af ​​en solcelle, forskerne forklarer, at det ikke bør begrænse solcelleabsorbansen til praktiske formål. Dette skyldes, at LDOS-forbedring kun er nødvendig i solspektret, mens LDOS kan sænkes i ethvert område uden for solspektret, et meget større område. Af denne grund, andre fysiske og praktiske grænser, såsom mætning eller fremstillingsudfordringer, vil sandsynligvis blive relevant, før en grænse for at øge LDOS nås.

Forskerne viste også, at en række forskellige solfangerdesigner kan opfylde de grundlæggende kriterier, der er foreslået her for at overskride den konventionelle lysindfangningsgrænse, dvs. udviser en LDOS, der er højere end bulkmaterialets. Nogle designs inkluderer brug af plasmoniske materialer, dielektriske bølgeledere, fotoniske krystaller, og andre enheder.

"Vi forsøger i øjeblikket at finde måder at konstruere og øge tætheden af ​​optiske tilstande så højt som muligt inden for et praktisk solcelledesign, " sagde Callahan. "Dette er en udfordrende opgave for materialer med højt indeks som silicium, men der er mange muligheder, som vi i øjeblikket undersøger, som ser lovende ud.”

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.