Nanostrukturer tredobler organiske solcellers effektivitet

Princeton-forskere har fundet en enkel og økonomisk måde at næsten tredoble effektiviteten af ​​organiske solceller, de billige og fleksible plastikenheder, som mange forskere mener kan være fremtiden for solenergi.

Forskerne, ledet af elektroingeniør Stephen Chou, kunne øge effektiviteten 175 procent ved at bruge en nanostruktureret "sandwich" af metal og plastik, der opsamler og fanger lys. Chou sagde, at teknologien også skulle øge effektiviteten af ​​konventionelle uorganiske solfangere, såsom standard silicium solpaneler, selvom han advarede om, at hans team endnu ikke har afsluttet forskning med uorganiske enheder.

Chou sagde, at forskerholdet brugte nanoteknologi til at overvinde to primære udfordringer, der får solceller til at miste energi:lys, der reflekteres fra cellen, og manglende evne til fuldt ud at fange lys, der kommer ind i cellen.

Med deres nye metalliske sandwich, forskerne var i stand til at løse begge problemer. Sandwichen – kaldet et plasmonisk hulrum med subbølgelængde – har en ekstraordinær evne til at dæmpe refleksion og fange lys. Den nye teknik tillod Chous team at oprette en solcelle, der kun reflekterer omkring 4 procent lys og absorberer hele 96 procent. Det viser 52 procent højere effektivitet ved konvertering af lys til elektrisk energi end en konventionel solcelle.

Det er for direkte sollys. Strukturen opnår endnu mere effektivitet for lys, der rammer solcellen i store vinkler, som opstår på overskyede dage, eller når cellen ikke vender direkte mod solen. Ved at fange disse vinklede stråler, den nye struktur øger effektiviteten med yderligere 81 procent, fører til den samlede stigning på 175 procent.

Fysikken bag innovationen er formidabelt kompleks. Men enhedsstrukturen, i koncept, er ret simpelt.

Det øverste lag, kendt som vindueslaget, af den nye solcelle bruger et utroligt fint metalnet:metallet er 30 nanometer tykt, og hvert hul er 175 nanometer i diameter og 25 nanometer fra hinanden. Dette net erstatter det konventionelle vindueslag, der typisk er lavet af et materiale kaldet indium-tin-oxid (ITO).

Mesh vindueslaget er placeret meget tæt på det nederste lag af sandwichen, den samme metalfilm, der bruges i konventionelle solceller. Mellem de to metalplader er en tynd strimmel af halvledende materiale brugt i solpaneler. Det kan være enhver type - silicium, plastik eller galliumarsenid – selvom Chous hold brugte en 85 nanometer tyk plast.

Solcellens egenskaber – afstanden mellem nettet, tykkelsen af ​​sandwichen, hullernes diameter – er alle mindre end bølgelængden af ​​det lys, der opsamles. Dette er kritisk, fordi lys opfører sig på meget usædvanlige måder i sub-bølgelængde strukturer. Chous team opdagede, at ved hjælp af disse subbølgelængdestrukturer kunne de skabe en fælde, hvor lys kommer ind, næsten uden refleksion, og forlader ikke.

"Det er som et sort hul for lys, " sagde Chou. "Det fanger det."

Holdet kalder systemet et "plasmonisk hulrum med subwavelength hole array" eller PlaCSH. Fotos af overfladen af ​​PlaCSH-solcellerne viser denne lysabsorberende effekt:under sollys, en standard solcelle ser tonet ud på grund af lys, der reflekteres fra dens overflade, men PlaCSH ser dybsort ud på grund af den ekstremt lave lysreflektion.

Forskerne forventede en stigning i effektiviteten fra teknikken, "men den stigning, vi fandt, var klart over vores forventninger, " sagde Chou.

Chou og kandidatstuderende Wei Ding rapporterede deres resultater i journalen Optik Express , udgivet online 28. november, 2012. Deres arbejde blev delvist støttet af Defense Advanced Research Projects Agency, kontoret for søforskning og National Science Foundation.

Forskerne sagde, at PlaCSH-solcellerne kan fremstilles omkostningseffektivt i ark i tapetstørrelse. Chous laboratorium brugte "nanoimprint, "en billig nanofabrikationsteknik, som Chou opfandt for 16 år siden, som præger nanostrukturer over et stort område, som at trykke en avis.

Udover det innovative design, arbejdet gik ud på at optimere systemet. At få strukturen helt rigtig "er afgørende for at opnå høj effektivitet, " sagde Ding, en kandidatstuderende i elektroteknik.

Chou sagde, at udviklingen kunne have en række anvendelser afhængigt af typen af ​​solfanger. I denne række af eksperimenter, Chou og Ding arbejdede med solceller fremstillet af plast, kaldet organiske solceller. Plast er billigt og formbart, og teknologien har et stort løfte, men det har været begrænset i kommerciel brug på grund af organiske solcellers lave effektivitet.

Ud over et direkte boost til cellernes effektivitet, den nye nanostrukturerede metalfilm erstatter også den nuværende ITO-elektrode, der er den dyreste del af de fleste nuværende organiske solceller.

"PlaCSH er også ekstremt bøjeligt, " Chou sagde. "Den mekaniske egenskab af ITO er som glas; den er meget skør."