Omvendt opal struktur forbedrer tyndfilms solceller

(Phys.org) —Forskere har vist, hvordan man kan øge effektiviteten af ​​tyndfilmede solceller, en teknologi, der kan bringe billige solenergi. Fremgangsmåden anvender 3-D "fotoniske krystaller" til at absorbere mere sollys end konventionelle tyndfilmceller.

De syntetiske krystaller besidder en struktur kaldet en "omvendt opal" for at gøre brug af og forstærke egenskaber, der findes i ædelstenene til at reflektere, diffrakt og bøj indgående sollys.

"Som regel, i tyndfilms silicium solceller kommer meget af sollyset lige ud igen, men ved hjælp af vores tilgang kommer lyset ind, og det er bøjet, får den til at forplante sig i en parallel sti inden i filmen, "sagde Peter Bermel, en adjunkt ved Purdue Universitets School of Electrical and Computer Engineering og Birck Nanotechnology Center.

Sammenlignet med solceller lavet af siliciumskiver, omkostningerne reduceres 100 gange for de tynde film. Imidlertid, de er mindre effektive.

"Spørgsmålet er, kan vi gøre op på den lavere effektivitet ved at indføre nye metoder til lysindfangning for tyndfilmsolceller? "sagde Bermel." Kan vi kombinere lave omkostninger og høj ydeevne? "

Forskerne er de første til at demonstrere inkorporering af 3-D fotoniske krystaller for at øge lysindfangningen i krystallinske siliciumsolceller. Eksperimentelle fund indikerer omtrent en 10 procent stigning i effektiviteten i forhold til konventionelle silicium tynde film, med yderligere forbedringspotentiale.

Teknologien er bedre til at absorbere og høste nær-infrarødt lys.

"En vigtig grund til, at tyndfilmsiliciumsolceller har lavere effektivitet, er, at de ikke absorberer nær-infrarødt lys særlig effektivt, "Bermel sagde." Lys i det nær-infrarøde område er vigtigt, fordi der er meget solenergi i det bølgelængdeområde og også fordi silicium kan konvertere nær infrarødt lys til energi, hvis det kan absorbere det, men tynde film absorberer det ikke helt. "

Fundene blev detaljeret i et forskningsartikel, der blev vist i oktober i det peer-reviewed videnskabelige tidsskrift Avancerede optiske materialer .

Papiret blev forfattet af doktorand Leo T. Varghese, der er uddannet; forskningsprofessor Yi Xuan; doktorand Ben Niu; tidligere ph.d. -studerende Li Fan, som også er uddannet; Bermel; og Minghao Qi, en lektor i el- og computerteknik.

Forskerne skabte omvendte opaler ved hjælp af en proces kaldet meniskdrevet selvsamling.

"Du kan få dem til at bestille eller designe, og vi besluttede at lave dem til solceller for at forbedre absorptionen af ​​lys, "Sagde Qi.

Silicium har i mange år været det dominerende materiale, der bruges i solceller. Imidlertid, solceller lavet af tykke monokrystallinske siliciumskiver er for dyre til at være praktiske til udbredt anvendelse. Denne begrænsning har drevet nyere innovation inden for multikrystallinske og tyndfilmede siliciumsolceller.

"Vores forudsætning er at bruge kun 1 procent så meget materiale som en siliciumskive ved hjælp af disse tynde film af krystallinsk silicium, "Sagde Qi.

Ansøgninger om tyndfilmssolceller omfatter produktion af elektricitet til forsyningsselskaber og hjemmet, samt applikationer i mindre skala, såsom mobil opladning af elektroniske enheder.

Naturlige opaler skaber regnbuemønstre forårsaget når forskellige bølgelængder af lys diffrakteres i forskellige vinkler. Opaler er lavet af kugler af massiv silica i en matrix af et andet materiale. De nye syntetiske strukturer kaldes omvendte opaler, fordi de består af hule kugler af luft omgivet af silicium.

Forskerne bygger først en standard opalstruktur. Kuglerne placeres i en opløsning, som fordamper, forlader den selvsamlede struktur.

"Når det fordamper, bliver kuglerne stablet oven på substratet lige ved menisken, grænsefladen mellem væske og luft, "Sagde Varghese.

Producenterne øger nu lysabsorptionen ved at ætse eller deponere tilfældige teksturer på de tynde film.

"Vi synes, det er bedst at kombinere både den teksturerede tilfældighed såvel som den ordnede struktur, "Bermel sagde." Strukturen hjælper godt med nogle bølgelængder, og den ordnede struktur vil hjælpe med andre. "