Tekstureret overflade kan øge effekten af ​​tynde siliciumsolceller

Højt renset silicium repræsenterer op til 40 procent af de samlede omkostninger ved konventionelle solcelle-arrays - så forskere har længe forsøgt at maksimere strømudgangen og samtidig minimere siliciumforbruget. Nu, et team på MIT har fundet en ny tilgang, der kan reducere tykkelsen af ​​det anvendte silicium med mere end 90 procent, mens den stadig opretholder høj effektivitet.

Hemmeligheden ligger i et mønster af små omvendte pyramider ætset ind i siliciumets overflade. Disse små fordybninger, hver mindre end en milliontedel af en meter på tværs, kan fange lysstråler lige så effektivt som konventionelle solide siliciumoverflader, der er 30 gange tykkere.

De nye resultater rapporteres i tidsskriftet Nano bogstaver i et papir af MIT postdoc Anastassios Mavrokefalos, professor Gang Chen, og tre andre postdocs og kandidatstuderende, hele MIT's Department of Mechanical Engineering.

"Vi ser vores metode som at forbedre ydeevnen af ​​tyndfilmsolceller, " siger Mavrokefalos, men det ville faktisk fungere for alle siliciumceller. "Det ville øge effektiviteten, uanset tykkelsen, ” siger han.

Kandidatstuderende Matthew Branham, en medforfatter af papiret, siger, "Hvis du dramatisk kan reducere mængden af ​​silicium [i en solcelle] ... kan du potentielt gøre en stor forskel i produktionsomkostningerne. Problemet er, når du gør det meget tyndt, det absorberer ikke så godt lys."

Driften af ​​en solcelle foregår i to grundlæggende trin:For det første, en indkommende lyspartikel, kaldet en foton, kommer ind og absorberes af materialet, i stedet for at reflektere fra dens overflade eller passere lige igennem. Sekund, elektroner, der slås løs fra deres atomer, når den foton absorberes, skal derefter finde vej til en ledning, hvor de kan udnyttes til at producere en elektrisk strøm, i stedet for blot at blive fanget af andre atomer.

Desværre, de fleste bestræbelser på at øge tyndt krystallinsk siliciums evne til at fange fotoner - såsom ved at skabe en skov af bittesmå siliciumnanotråde på overfladen - øger også materialets overfladeareal i høj grad, øger chancen for, at elektroner rekombinerer på overfladen, før de kan udnyttes.

Den nye tilgang undgår det problem. De små overfladefordybninger - holdet kalder dem "omvendte nanopyramider" - øger lysabsorptionen i høj grad, men med kun en stigning på 70 procent i overfladeareal, begrænser overfladerekombination. Ved at bruge denne metode, et ark krystallinsk silicium på kun 10 mikrometer (milliontedele af en meter) tykt kan absorbere lys lige så effektivt som en konventionel siliciumwafer, der er 30 gange så tyk.

Det kunne ikke kun reducere mængden af ​​dyre, højrenset silicium, der er nødvendigt for at fremstille solcellerne, Mavrokefalos forklarer, men også reducere vægten af ​​cellerne, hvilket igen ville reducere det nødvendige materiale til rammer og understøtninger. De potentielle omkostningsbesparelser er "ikke kun i cellematerialet, men også i installationsomkostningerne, ” siger han.

Ud over, teknikken udviklet af Mavrokefalos og hans kolleger bruger udstyr og materialer, der allerede er standarddele af silicium-chipbehandling, så ingen nye produktionsmaskiner eller kemikalier ville være påkrævet. "Det er meget nemt at fremstille, " siger Mavrokefalos, men "det angriber store problemer."

For at skabe de små buler, forskerne bruger to sæt overlappende laserstråler til at producere usædvanligt bittesmå huller i et lag materiale - kaldet en fotoresist - der er aflejret oven på silicium. Denne interferenslitografiteknik er skalerbar til et stort område. Efter flere mellemliggende trin, et kemikalie kaldet kaliumhydroxid bruges til at opløse dele af overfladen væk, som ikke var dækket af fotoresisten. Krystalstrukturen af ​​silicium leder denne ætseproces til at producere de ønskede pyramideformer i overfladen, siger Mavrokefalos.

Indtil nu, holdet har kun taget det første skridt mod at lave den nye type solceller, producerer den mønstrede overflade på en siliciumwafer og demonstrerer dens forbedring i at fange lys. Det næste trin vil være at tilføje komponenter for at producere en egentlig fotovoltaisk celle og derefter vise, at dens effektivitet er sammenlignelig med konventionelle solceller. Forventningen er, at den nye tilgang skal producere energikonverteringseffektiviteter på omkring 20 procent - sammenlignet med 24 procent for de bedste nuværende kommercielle siliciumsolceller - men dette mangler at blive bevist i praksis.

Chen, Carl Richard Soderberg professor i energiteknik og direktør for MITs Pappalardo Micro and Nano Engineering Laboratories, siger, at hvis alt går godt, systemet kan føre til kommercielle produkter i den nærmeste fremtid.

Chen siger, at ideen blev udviklet efter at have analyseret en lang række mulige overfladekonfigurationer i computersimuleringer, og finde det arrangement, der viste de største potentielle forbedringer i ydeevnen. Men mange hold rundt om i verden forfølger en række tilgange til at forbedre solcellernes ydeevne ved hjælp af forskellige materialer, fremstillingsmetoder og konfigurationer.

"Det er svært at vælge en vinder, " siger han, men denne tilgang lover meget. "Vi er ret optimistiske over, at dette er en holdbar tilgang."

Yi Cui, en lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford University, siger, at dette arbejde gav "meget spændende resultater. Den potentielle praktiske effekt af dette arbejde kan være betydelig, da det giver en effektiv struktur til fotonstyring for at muliggøre tynde celler."

Cui siger, at da udgiften til siliciummaterialet "bidrager væsentligt til omkostningerne ved solceller, "at udvikle tynde siliciumsolceller, som stadig kan absorbere fotoner effektivt, "er vigtigt for at reducere omkostningerne."

Arbejdet, som også involverede postdocs Sang Eon Han og Selcuk Yerci, blev støttet af det amerikanske energiministeriums Sunshot-program og af National Science Foundation.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.