Banebrydende nanoteknologi solceller opnår 18,2% effektivitet, eliminerer behovet for anti-refleksionslag

(Phys.org) —Forskere ved U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) har produceret solceller ved hjælp af nanoteknologiteknikker med en effektivitet - 18,2% - som er konkurrencedygtig. Gennembruddet bør være et stort skridt mod at hjælpe med at sænke omkostningerne ved solenergi.

NREL skræddersyede en nanostruktureret overflade, samtidig med at den sikrede, at den lysgenererede elektricitet stadig kan opsamles effektivt fra solcellen. Forskerne lavede nano-øer af sølv på en siliciumskive og nedsænkede det kortvarigt i væsker for at lave milliarder af nanostørrelser i hver kvadrat-tommer af siliciumskiveoverfladen. Hullerne og siliciumvæggene er mindre end lysbølgelængderne, der rammer dem, så lyset ikke genkender nogen pludselig ændring i densitet på overfladen og, dermed, reflekterer ikke tilbage i atmosfæren som spild af energi. Forskerne kontrollerede nanoshapes og overfladens kemiske sammensætning for at nå rekord solcelleeffektivitet for dette 'sorte silicium' materiale.

Papiret, "En 18,2%-effektiv sort-silicium solcelle opnået gennem kontrol af bærerrekombination i nanostrukturer" af NREL's Jihun Oh, Hao-Chih Yuan, og Howard Branz, vises i øjeblikket på Naturnanoteknologi 's hjemmeside.

Typisk, solcelleproducenter skal tilføje et ekstra antireflekslag, eller to, til deres celler, hvilket øger omkostningerne markant.

NREL havde tidligere demonstreret, at deres nanostrukturer reflekterede mindre lys end de bedste anti-refleksionslag i en solcelle. Men indtil nu, de havde ikke været i stand til at opnå samlet effektivitet med deres sorte siliciumceller, der kunne nærme sig de bedste karakterer for andre siliciumceller.

Åh, Yuan, og Branz, først måtte afgøre, hvorfor det øgede overfladeareal af nanostrukturer dramatisk reducerede indsamlingen af ​​elektricitet og skadede spændingen og strømmen i cellerne.

Deres eksperimenter viste, at det høje overfladeareal, og især en proces kaldet Auger recombination, begrænse indsamlingen af ​​fotoner på de fleste nanostrukturerede solceller. De konkluderede, at denne Auger -rekombination er forårsaget, når for mange af de dopantiske urenheder lægges i for at få celleværket til at komme gennem den nanostrukturerede overflade.

Denne videnskabelige forståelse gjorde dem i stand til at undertrykke sneglrekombination med lettere og overfladisk doping. Kombinerer denne lettere doping med lidt glattere nanoshapes, de kan bygge en 18,2%-effektiv solcelle, der er sort, men reagerer næsten ideelt på næsten hele solspektret.

Energiafdelingen finansierede forskningsbevillingen gennem American Recovery and Reinvestment Act.

Branz, bevillingens hovedforsker sagde, "Dette arbejde kan have stor indflydelse på både konventionelle og nye solceller baseret på nanotråde og nanosfærer. For første gang viser det, at virkelig store solceller kan laves af nanostrukturerede halvledere."

Branz tilføjede, "De næste udfordringer er at oversætte disse resultater til almindelig industriel praksis og derefter få effektiviteten over 20%. Efter det, Jeg håber at se den slags nanostruktureringsteknikker, der bruges på langt tyndere celler til at bruge mindre halvledermateriale. "

"Nu har vi en klar undersøgelse, der viser, hvordan optimering af overfladearealet og dopingen sammen kan give bedre effektivitet, "Yuan sagde." Overfladearealet og dopingkoncentrationen nær overfladen påvirker nanostrukturerede solcelleydelse. "

Første forfatter, Åh, en NREL-postdoktor sagde, at NREL-undersøgelsen "klart viser, at den rigtige kombination af en omhyggeligt nanostruktureret overflade og god behandling kan reducere omkostningerne, samtidig med at uønsket refleksion af sollys reduceres."