Ny teknologi gør metaltråde på solceller næsten usynlige for lys

En solcelle er dybest set en halvleder, som omdanner sollys til elektricitet, klemt mellem metalkontakter, der bærer den elektriske strøm.

Men dette meget udbredte design har en fejl:Det skinnende metal oven på cellen reflekterer faktisk sollys væk fra halvlederen, hvor der produceres elektricitet, reducere cellens effektivitet.

Nu, Forskere ved Stanford University har opdaget, hvordan man kan skjule den reflekterende øvre kontakt og tragtlys direkte til halvlederen herunder. Deres fund, offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , kunne føre til et nyt paradigme i design og fremstilling af solceller.

"Ved hjælp af nanoteknologi, vi har udviklet en ny måde at gøre den øvre metalkontakt næsten usynlig for indgående lys, "sagde studieforfatter Vijay Narasimhan, der udførte arbejdet som kandidatstuderende i Stanford. "Vores nye teknik kunne forbedre effektiviteten betydeligt og derved sænke omkostningerne ved solceller."

Spejllignende metal

I de fleste solceller, den øvre kontakt består af et metaltrådnet, der transporterer elektricitet til eller fra enheden. Men disse ledninger forhindrer også sollys i at nå halvlederen, som normalt er lavet af silicium.

"Jo mere metal du har på overfladen, jo mere lys du blokerer, "sagde studieforfatter Yi Cui, en lektor i materialevidenskab og teknik. "Det lys går derefter tabt og kan ikke konverteres til elektricitet."

Metalkontakter, derfor, "står over for en tilsyneladende uforenelig afvejning mellem elektrisk ledningsevne og optisk gennemsigtighed, "Tilføjede Narasimhan." Men den nanostruktur, vi skabte, fjerner denne afvejning. "

Til undersøgelsen, Stanford-teamet anbragte en 16-nanometer tyk guldfilm på et fladt siliciumark. Guldfilmen var fyldt med en række nanoserede firkantede huller, men for øjet, overfladen lignede en skinnende, guld spejl.

Optisk analyse afslørede, at den perforerede guldfilm dækkede 65 procent af siliciumoverfladen og reflekterede, gennemsnitlig, 50 procent af det indgående lys. Forskerne begrundede, at hvis de på en eller anden måde kunne skjule den reflekterende guldfilm, mere lys ville nå siliciumhalvlederen herunder.

Silicon nanopiller

Løsningen:Opret nanoserede søjler af silicium, der "tårner" over guldfilmen og omdirigerer sollyset, før det rammer den metalliske overflade.

Oprettelse af silicium nanopiller viste sig at være en kemisk proces i et trin.

"Vi nedsænkede silicium og den perforerede guldfilm sammen i en opløsning af flussyre og hydrogenperoxid, "sagde kandidatstuderende og studieforfatter Thomas Hymel." Guldfilmen begyndte straks at synke ned i siliciumsubstratet, og silicium -nanopiller begyndte at dukke op gennem hullerne i filmen. "

Inden for få sekunder, siliciumsøjlerne voksede til en højde på 330 nanometer, forvandle den skinnende guldoverflade til en mørk rød. Denne dramatiske farveændring var en klar indikation på, at metallet ikke længere reflekterede lys.

"Så snart silicium -nanopillerne begyndte at dukke op, de begyndte at lede lys rundt om metalgitteret og ind i siliciumsubstratet nedenunder, "Forklarede Narasimhan.

Han sammenlignede nanopillar -arrayet med et dørslag i din køkkenvask. "Når du tænder for vandhanen, ikke alt vandet kommer igennem hullerne i dørslag, "sagde han." Men hvis du skulle lægge en lille tragt oven på hvert hul, det meste af vandet ville strømme lige igennem uden problemer. Det er i det væsentlige, hvad vores struktur gør:Nanopillerne fungerer som tragte, der fanger lys og leder det ind i siliciumsubstratet gennem hullerne i metalgitteret. "

Stort løft

Forskergruppen optimerede derefter designet gennem en række simuleringer og eksperimenter.

"Solceller er typisk skraveret af metaltråde, der dækker 5 til 10 procent af den øverste overflade, "Sagde Narasimhan." I vores bedste design, næsten to tredjedele af overfladen kan dækkes med metal, alligevel er refleksionstabet kun 3 procent. At have så meget metal kan øge ledningsevnen og gøre cellen langt mere effektiv til at konvertere lys til elektricitet. "

For eksempel, denne teknologi kan øge effektiviteten af ​​en konventionel solcelle fra 20 procent til 22 procent, en markant stigning, han sagde.

Forskerteamet planlægger at teste designet på en fungerende solcelle og vurdere dets ydeevne under virkelige forhold.

Skjulte kontakter

Udover guld, nanopillararkitekturen vil også arbejde med kontakter lavet af sølv, platin, nikkel og andre metaller, sagde kandidatstuderende og medforfatter Ruby Lai.

"Vi kalder dem skjulte kontakter, fordi metallet gemmer sig i skyggerne af silicium -nanopillerne, "sagde hun." Det er ligegyldigt, hvilken type metal du putter der. Det vil være næsten usynligt for indgående lys. "

Udover silicium, denne nye teknologi kan bruges med andre halvledende materialer til en række forskellige applikationer, herunder fotosensorer, lysemitterende dioder og displays, gennemsigtige batterier, samt solceller.

"Med de fleste optoelektroniske enheder, du bygger typisk halvlederen og metalkontakterne separat, "sagde Cui, meddirektør for Department of Energy's Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC). "Vores resultater tyder på et nyt paradigme, hvor disse komponenter er designet og fremstillet sammen for at skabe et højtydende interface."