Nyt nanomateriale øger udbyttet af solceller

Forskere fra FOM Fonden, Delft University of Technology, Toyota Motor Europe og University of California har udviklet en nanostruktur, hvormed de kan gøre solceller yderst effektive. Forskerne offentliggjorde deres resultater den 23. august 2013 i online-udgaven af Naturkommunikation .

Smarte nanostrukturer kan øge udbyttet af solceller. Et internationalt team af forskere, herunder fysikere fra FOM Foundation, Delft University of Technology og Toyota, har nu optimeret nanostrukturerne, så solcellen giver mere strøm og mister mindre energi i form af varme.

Solceller

En konventionel solcelle indeholder et lag silicium. Når sollys falder på dette lag, elektroner i silicium absorberer energien fra lyspartiklerne (fotoner). Ved at bruge denne energi springer elektronerne hen over et 'båndgab', som et resultat af, at de frit kan bevæge sig, og elektriciteten flyder.

Udbyttet af en solcelle optimeres, hvis fotonenergien er lig med båndgabet af silicium. Sollys, imidlertid, indeholder mange fotoner med energier større end båndgabet. Den overskydende energi går tabt som varme, hvilket begrænser udbyttet af en konventionel solcelle.

Nanosfærer

For flere år siden forskerne fra Delft University of Technology, såvel som andre fysikere, viste, at den overskydende energi stadig kunne udnyttes godt. I små kugler af et halvledende materiale gør den overskydende energi det muligt for ekstra elektroner at hoppe over båndgabet. Disse nanosfærer, de såkaldte kvanteprikker, har en diameter på kun en ti tusindedel af et menneskehår.

Hvis en lyspartikel gør det muligt for en elektron i en kvanteprik at krydse båndgabet, elektronen bevæger sig rundt i prikken. Det sikrer, at elektronen kolliderer med andre elektroner, der efterfølgende også springer hen over båndgabet. Som et resultat af denne proces kan en enkelt foton mobilisere flere elektroner og derved multiplicere mængden af ​​produceret strøm.

Kontakt mellem kvanteprikker

Imidlertid, indtil nu var problemet, at elektronerne forblev fanget i deres kvanteprikker og derfor ikke kunne bidrage til strømmen i solcellen. Det skyldtes de store molekyler, der stabiliserer overfladen af ​​kvanteprikker. Disse store molekyler forhindrer elektronerne i at hoppe fra den ene kvanteprik til den næste, og derfor flyder der ingen strøm.

I det nye design, forskerne erstattede de store molekyler med små molekyler og fyldte det tomme rum mellem kvanteprikkerne med aluminiumoxid. Dette førte til langt mere kontakt mellem kvanteprikkerne, hvilket gjorde det muligt for elektronerne at bevæge sig frit.

Udbytte

Ved hjælp af laserspektroskopi så fysikerne, at en enkelt foton faktisk forårsagede frigivelsen af ​​adskillige elektroner i materialet, der indeholder forbundne kvanteprikker. Alle elektronerne, der hoppede hen over båndgabet, bevægede sig frit rundt i materialet. Som et resultat af dette stiger det teoretiske udbytte af solceller indeholdende sådanne materialer til 45 %, hvilket er mere end 10 % højere end en konventionel solcelle.

Denne mere effektive type solcelle er nem at producere:strukturen af ​​forbundne nanosfærer kan påføres solcellen som en type lagdelt maling. De nye solceller vil derfor ikke kun være mere effektive, men også billigere end konventionelle celler.

De hollandske forskere vil nu samarbejde med internationale partnere om at producere komplette solceller ved hjælp af dette design.