Onderzoekers van het Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), in samenwerking met onderzoekers van het Duitse Fraunhofer ISE, hebben zonlicht efficiënt gevangen in een zonnecel dankzij een ultradunne absorberende laag gemaakt van 205 nm dik GaAs op een nanogestructureerde achterspiegel. Deze nieuwe architectuur verhoogde de efficiëntie van de cel tot bijna 20 procent.

Tot nu toe, ultramoderne zonnecellen met een efficiëntie van 20 procent vereisten ten minste één micrometer dikke lagen halfgeleidermateriaal (GaAs, CdTe of koper indium gallium selenide), of zelfs 40 µm of meer, in het geval van silicium. Een significante diktevermindering zou materiaalbesparingen van schaarse materialen zoals tellerium of indium en industriële doorvoerverbeteringen mogelijk maken als gevolg van kortere depositietijden. Echter, verdunningsabsorber vermindert automatisch de absorptie van zonlicht en de conversie-efficiëntie. Een vlakke spiegel aan de achterkant van de cel kan leiden tot double-pass absorptie, Maar niet meer. Eerdere pogingen om licht op te vangen zijn in hoge mate beperkt in prestatie door de optische en elektrische verliezen.

Onderzoekers van het team onder leiding van Stéphane Collin en Andrea Cattoni van het Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS/University Paris-Saclay), hebben in samenwerking met de Fraunhofer ISE een nieuwe strategie ontwikkeld om licht op te vangen in ultradunne lagen gemaakt van slechts 205 nm dik galliumarsenide, een halfgeleider van de III-V-familie. Het leidende idee was om een ​​nanogestructureerde achterspiegel te produceren om meerdere overlappende resonanties in de zonnecel te creëren, geïdentificeerd als Fabry-Perot en resonanties met geleide modus. Ze beperken het licht om langer in de absorber te blijven, wat resulteert in een efficiënte optische absorptie ondanks de geringe hoeveelheid materiaal. Dankzij talrijke resonanties, absorptie wordt verbeterd over een groot spectraal bereik dat past bij het zonnespectrum van zichtbaar tot infrarood. Het beheersen van de fabricage van spiegels met patronen op nanometerschaal was een belangrijk aspect van het project. Het team gebruikte nano-imprintlithografie, een goedkope, snelle en schaalbare techniek, om een ​​van sol-gel afgeleide film van titaniumdioxide te embosseren.

Kunnen ultradunne zonnecellen verder worden verbeterd? Het werk gepubliceerd in Natuur Energie toont aan dat deze architectuur op korte termijn 25 procent efficiëntie moet mogelijk maken. Zelfs als de limieten nog onbekend zijn, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de dikte nog met minstens een factor twee kan worden verminderd zonder efficiëntieverlies. GaAs-zonnecellen zijn vanwege hun kosten nog steeds commercieel beperkt tot ruimtetoepassingen. Echter, onderzoekers zijn al bezig om dit concept uit te breiden naar grootschalige fotovoltaïsche cellen gemaakt van CdTe, CIGS of siliconen materialen.