Europæisk samarbejde kaster lys over plasmonisk forbedring af solcelleeffektiviteten

Imec, sammen med sine projektpartnere, har samarbejdet inden for et EU 7. rammeprogram (FP7) projekt PRIMA for at forbedre både effektiviteten og omkostningerne ved solceller. I særdeleshed, de har arbejdet på en lysfangststrategi ved at bruge metalnanostrukturer, der gør det muligt for plasmoner at øge absorptionen i solcellestrukturen.

Nanostrukturerede metaller kan absorbere og intensivere lys ved bestemte bølgelængder. Dette fænomen, kaldet plasmonics, har mange lovende applikationer:det kan udnyttes til at transmittere optiske signaler gennem nanostørrelsesforbindelser på chips, i nanopartikler, der genkender og interagerer med biomolekyler, eller i solceller, at øge lysabsorptionen i cellens fotoaktive materiale, baner vejen mod tyndere og derfor billigere energiproduktion. I løbet af det europæiske FP7 PRIMA-projekt, imec og dets projektpartnere Imperial College (London, Storbritannien), Chalmers Tekniske Universitet (Sverige), Photovoltech (Belgien), Quantasol (Storbritannien), AZUR SPACE Solar Power (Tyskland), og Australian National University (Australien) fik væsentlig viden om brugen af ​​metalnanopartikler til at forbedre solcelleeffektiviteten.

En af projektets resultater var udvikling og demonstration af en metode til fremstilling af organiske solceller med en plasmonisk nanostruktureret sølv (Ag) bagelektrode ved hjælp af hulmaske kolloid litografi (HCL). Denne lave pris, bottom up og ekstremt alsidig teknik viste sig at være kompatibel med de skrøbelige organiske halvledere placeret nedenunder. Introduktionen af ​​en plasmonisk nanostruktureret Ag-bagelektrode resulterede i en effektivitetsforøgelse på mere end det dobbelte i absorptionshalen.

Med hensyn til wafer-baserede solceller såsom dem, der er baseret på silicium, vores resultater indikerer, at for at øge solcelleeffektiviteten, plasmoniske strukturer skal integreres på bagsiden af ​​solcellerne, og ikke på forsiden. Ag nanodiske på forsiden af ​​dielektrisk antirefleksbelægning (ARC) af siliciumbaserede solceller resulterede i en forbedret lysabsorption, men ingen effektivitetsforøgelse, på grund af parasitisk absorption i nanopartiklerne og destruktive interferenser.

Et 3D-simuleringsværktøj blev udviklet, nøjagtig modellering af både optiske og elektriske karakteristika for solcelleenheder baseret på uorganiske halvledere, der inkorporerer plasmoniske nanostrukturer. Modellen indikerede, at guld- eller sølvnanopartikler kan øge solcelleeffektiviteten ved visse bølgelængder, mens der er andre bølgelængder, solcellens ydeevne forringes. Aluminium nanostrukturer, på den anden side, kan øge effektiviteten over hele det relevante spektrale område af en solcelle på grund af deres iboende lave lysabsorption og stærke spredning. Dette er blevet demonstreret eksperimentelt på GaAs solceller, men kan også generaliseres til siliciumceller.