Zonnecellen hebben een lange weg afgelegd, maar goedkoop, dunne film zonnecellen blijven nog ver achter op duurdere, kristallijne zonnecellen in efficiëntie. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers suggereert dat het gebruik van twee dunne films van verschillende materialen de beste manier kan zijn om betaalbare, dunnefilmcellen met een efficiëntie van ongeveer 34%.

"Tien jaar geleden wist ik heel weinig over zonnecellen, maar het werd me duidelijk dat ze heel belangrijk waren, " zei Achlesh Lakhtakia, Evan Pugh University Professor en Charles Godfrey Binder Professor in Engineering Science and Mechanics, Penn State.

Het veld onderzoeken, hij ontdekte dat onderzoekers zonnecellen van twee kanten benaderden, de optische kant - kijken naar hoe het licht van de zon wordt opgevangen - en de elektrische kant - kijken naar hoe het verzamelde zonlicht wordt omgezet in elektriciteit. Optische onderzoekers streven ernaar om de lichtopname te optimaliseren, terwijl elektrische onderzoekers ernaar streven de conversie naar elektriciteit te optimaliseren, beide partijen vereenvoudigen de andere.

"Ik heb besloten om een ​​model te maken waarin zowel elektrische als optische aspecten gelijk worden behandeld, " zei Lakhtakia. "We moesten de werkelijke efficiëntie verhogen, want als de efficiëntie van een cel minder dan 30% is, maakt het geen verschil." De onderzoekers rapporteren hun resultaten in een recent nummer van Technische Natuurkunde Brieven .

Lakhtakia is een theoreticus. Hij maakt geen dunne films in een laboratorium, maar maakt wiskundige modellen om de mogelijkheden van configuraties en materialen te testen, zodat anderen de resultaten kunnen testen. Het probleem, hij zei, was dat de wiskundige structuur van het optimaliseren van het optische en het elektrische heel verschillend is.

Zonnecellen lijken eenvoudige apparaten, hij legde uit. Een heldere toplaag laat zonlicht op een energieconversielaag vallen. Het materiaal dat is gekozen om de energie om te zetten, absorbeert het licht en produceert stromen van negatief geladen elektronen en positief geladen gaten die in tegengestelde richtingen bewegen. De verschillend geladen deeltjes worden overgebracht naar een bovenste contactlaag en een onderste contactlaag die de elektriciteit uit de cel kanaliseren voor gebruik. De hoeveelheid energie die een cel kan produceren, hangt af van de hoeveelheid opgevangen zonlicht en het vermogen van de conversielaag. Verschillende materialen reageren op en zetten verschillende golflengten van licht om.

"Ik realiseerde me dat we meer licht moesten absorberen om de efficiëntie te verhogen, "zei Lakhtakia. "Daarvoor moesten we de absorberende laag op een speciale manier niet-homogeen maken."

Die speciale manier was om twee verschillende absorberende materialen in twee verschillende dunne films te gebruiken. De onderzoekers kozen voor de lagen commercieel verkrijgbare CIGS-koper-indium-galliumdiselenide- en CZTSSe-koper-zink-tin-zwavel-selenide. op zichzelf, De efficiëntie van CIGS is ongeveer 20% en die van CZTSSe is ongeveer 11%.

Deze twee materialen werken in een zonnecel omdat de structuur van beide materialen hetzelfde is. Ze hebben ongeveer dezelfde roosterstructuur, zodat ze op elkaar kunnen worden gekweekt, en ze absorberen verschillende frequenties van het spectrum, dus ze zouden de efficiëntie moeten verhogen, volgens Lakhtakia.

"Het was geweldig, " zei Lakhtakia. "Samen produceerden ze een zonnecel met een efficiëntie van 34%. Dit creëert een nieuwe zonnecelarchitectuur - laag over laag. Anderen die daadwerkelijk zonnecellen kunnen maken, kunnen andere formuleringen van lagen vinden en misschien beter doen."

Volgens de onderzoekers is de volgende stap is om deze experimenteel te maken en te kijken wat de opties zijn om de finale te krijgen, beste antwoorden.