Siliciumzonnecellen hebben bewezen een topfotovoltaïsche technologie te zijn, omdat ze overvloedige grondstoffen van de aarde gebruiken (d.w.z. Si) en met een hoog rendement presteren. Ze zijn echter gebaseerd op dikke, stijve en zware wafels en kunnen daarom maar op een beperkt aantal plaatsen worden geïnstalleerd. Een van de manieren om dit nadeel te ondervangen, is door dunne membranen te gebruiken. Dit zal de hoeveelheid Si met meer dan 99% verminderen (drastische besparing op grondstoffen) en ook de cellen flexibel en lichtgewicht maken. Als zodanig kunnen deze cellen eenvoudig worden geïntegreerd in gebouwen, stedelijke architectuur en zelfs kleine alledaagse gadgets. Het probleem is dat zulke dunne Si-membranen niet zo efficiënt licht kunnen absorberen. In feite wordt slechts 25% van het zonlicht geabsorbeerd en kun je er zelfs doorheen kijken.

Met behulp van een nieuwe, rationeel ontworpen nanostructuurtextuur hebben onderzoekers van AMOLF, Surrey University en Imperial College een manier gevonden om de dunne fotovoltaïsche cellen ondoorzichtig te maken en zo hun efficiëntie te verbeteren. In het laboratorium ontdekten ze dat dergelijke getextureerde dunne membranen 65% van het zonlicht absorberen, wat zeer dicht bij de ultieme theoretische absorptielimiet van ~70% ligt. Dit is de hoogste lichtabsorptie die ooit is aangetoond in zo'n dun Si-membraan en het is daarom waarschijnlijk dat in de nabije toekomst flexibele, lichtgewicht en efficiënte Si-fotovoltaïsche cellen zullen worden ontwikkeld.

Hoe werkt het?

De van een patroon voorziene nanostructuur richt rechtlijnig zonlicht om in een reeks hoeken, waardoor licht in het Si-membraan wordt gevangen. Doordat het licht wordt opgesloten, heeft het meer kans om te worden geabsorbeerd en neemt de dikte van het membraan effectief toe voor het licht.

Door te weten welke lichthoeken fotonen in het Si-membraan vangen, kunnen de onderzoekers hun nanopatroon ontwerpen op basis van een toestand van materie die vaak in de natuur wordt aangetroffen, van de volgorde van het universum tot de verdeling van fotoreceptoren in vogelogen . Hoewel hyperuniforme distributies en patronen volledig willekeurig lijken, is er enige orde. Als zodanig combineren hyperuniforme ontwerpen het beste van twee werelden:

• Orde zorgt ervoor dat licht oordeelkundig wordt geleid in zeer specifieke hoeken die in het membraan zijn opgesloten op basis van de periodiciteit van het patroon.
• Onregelmatigheid maakt het mogelijk om de breedte van hoeken te vergroten die met een enkel patroon kunnen worden bereikt, wat resulteert in een verhoogde absorptie.

De onderzoekers hebben aangetoond dat er geen unieke oplossing is, maar eerder een hele familie van hyperuniforme patroonontwerpen die allemaal een hoge ontwerpflexibiliteit bieden zonder afbreuk te doen aan de optische prestaties. Dit is erg belangrijk vanuit het oogpunt van implementatie, omdat niet alle ontwerpen van nanopatronen eenvoudig op een schaalbare manier kunnen worden gefabriceerd.

Uitdagingen

Twee belangrijke uitdagingen bij het vangen van zonlicht in dun Si zijn het brede scala aan kleuren in het zonnespectrum samen met de beperkte afmetingen van het membraan. Vanuit een fotonica-perspectief is het optimaliseren van lichtgeleiding en het vangen van een enkele kleur relatief eenvoudig en kan het efficiënt worden gedaan met behulp van periodieke structuren. Zonlicht heeft echter veel kleuren, die elk een ander absorptievermogen in Si ervaren.

Dikke Si-zonnecellen hebben dit probleem opgelost door het oppervlak op te ruwen met piramidale kenmerken met afmetingen die vergelijkbaar zijn met die van de golflengten van licht (d.w.z. tot 1 µm voor rood licht, wat minder is dan 1% van de totale Si-dikte). Dezelfde benadering werkt echter niet in dunne membranen met een dikte in de orde van de golflengte van licht. Het onderzoeksteam heeft dit omzeild door het brede scala aan kleuren vast te leggen, inclusief de rode, door slechts een fractie van het oppervlak van de cel te modelleren. Dergelijke patronen zijn niet alleen van toepassing op dun Si, zoals hier wordt aangetoond, maar ook op elke andere lichtabsorberende dunne film die extra hulp nodig heeft om licht te absorberen.

Toepassing

AMOLF-groepsleider Esther Alarcon Llado zegt dat "op basis van de sterke lichtvangprestaties van onze patronen, we schatten dat PV-efficiënties van meer dan 20% kunnen worden bereikt voor een 1 μm dikke c-Si-cel, wat een absolute doorbraak zou betekenen naar flexibele , lichtgewicht c-Si PV. Ook zijn dunnere Si-absorbers toleranter voor elektronische defecten in vergelijking met de dikke tegenhangers. Dit betekent dat dunne Si-cellen met een hoog rendement ook kunnen worden gemaakt van silicium van lagere kwaliteit, waardoor de energiebehoefte voor ruw Si wordt verminderd zuivering en het verminderen van de terugverdientijd van hun energie."

"Hyperuniform patroon van dunne PV is een veelbelovende technologie. Hoewel er nog veel werk aan de winkel is om zulke dunne hoog-efficiënte cellen onderdeel van onze leefomgeving te maken, maakt dit werk ons ​​erg optimistisch dat dit snel zal gebeuren." + Verder verkennen

Onregelmatige anorganische nanokristallen vestigen een nieuw efficiëntierecord voor ultradunne zonnecellen