(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van Berkeley Lab hebben een betere manier gevonden om licht in fotovoltaïsche cellen op te vangen door het gebruik van verticale arrays van silicium nanodraden. Dit zou de kosten van zonne-energie aanzienlijk kunnen verlagen door de hoeveelheid en kwaliteit van silicium die nodig is voor efficiënte zonnepanelen te verminderen.

Zonnecellen gemaakt van silicium zullen naar verwachting een prominente factor zijn in toekomstige vergelijkingen van hernieuwbare groene energie, maar tot nu toe heeft de belofte de realiteit ver overtroffen. Hoewel er nu silicium fotovoltaïsche cellen zijn die zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit met een indrukwekkend rendement van 20 procent, de kosten van deze zonne-energie zijn onbetaalbaar voor grootschalig gebruik. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), echter, ontwikkelen een nieuwe aanpak die deze kosten aanzienlijk kan verlagen. De sleutel tot hun succes is een betere manier om zonlicht op te vangen.

"Door de fabricage van dunne films van geordende arrays van verticale siliciumnanodraden, zijn we in staat geweest om de lichtvangst in onze zonnecellen met een factor 73 te vergroten, ” zegt chemicus Peidong Yang, die dit onderzoek leidde. "Aangezien de fabricagetechniek achter deze buitengewone lichtvangerverbetering een relatief eenvoudig en schaalbaar waterig chemisch proces is, wij geloven dat onze aanpak een economisch levensvatbaar pad vertegenwoordigt naar hoge efficiëntie, goedkope dunne-film zonnecellen.”

Yang heeft gezamenlijke afspraken met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en de scheikundeafdeling van de University of California Berkeley. Hij is een toonaangevende autoriteit op het gebied van halfgeleider nanodraden - eendimensionale stroken van materialen waarvan de breedte slechts een duizendste van die van een mensenhaar is, maar waarvan de lengte enkele microns kan uitrekken.

"Typische zonnecellen worden gemaakt van zeer dure ultrazuivere monokristallijne siliciumwafels die ongeveer 100 micrometer dik nodig hebben om het meeste zonlicht te absorberen. overwegende dat onze radiale geometrie ons in staat stelt om effectief licht op te vangen met nanodraadarrays vervaardigd uit siliciumfilms die slechts ongeveer acht micrometer dik zijn, " hij zegt. "Verder, onze aanpak zou ons in principe in staat moeten stellen om metallurgische kwaliteit of "vuil" silicium te gebruiken in plaats van de ultrazuivere siliciumkristallen die nu vereist zijn, wat de kosten nog verder moet drukken.”

Yang heeft dit onderzoek beschreven in een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Nano-letters , waarvan hij samen met Erik Garnett schreef, een chemicus die toen lid was van de onderzoeksgroep van Yang. Het artikel is getiteld "Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells."

Elektriciteit opwekken uit zonlicht

In het hart van alle zonnecellen bevinden zich twee afzonderlijke materiaallagen, een met een overvloed aan elektronen die functioneert als een negatieve pool, en een met een overvloed aan elektronengaten (positief geladen energieruimten) die functioneert als een positieve pool. Wanneer fotonen van de zon worden geabsorbeerd, hun energie wordt gebruikt om elektron-gatparen te creëren, die vervolgens op het grensvlak tussen de twee lagen worden gescheiden en als elektriciteit worden verzameld.

Vanwege zijn superieure foto-elektronische eigenschappen, silicium blijft de favoriete fotovoltaïsche halfgeleider, maar de stijgende vraag heeft de prijs van de grondstof opgedreven. Verder, vanwege het hoge niveau van kristalzuivering dat vereist is, zelfs de fabricage van de eenvoudigste op silicium gebaseerde zonnecel is een complexe, energie-intensief en kostbaar proces.

Yang en zijn groep zijn in staat om zowel de kwantiteits- als de kwaliteitsvereisten voor silicium te verminderen door verticale arrays van nanogestructureerde radiale pn-overgangen te gebruiken in plaats van conventionele vlakke pn-overgangen. In een radiale pn-overgang, een laag n-type silicium vormt een schil rond een p-type silicium nanodraadkern. Als resultaat, foto-geëxciteerde elektronen en gaten leggen veel kortere afstanden af ​​naar elektroden, het elimineren van een ladingdragerknelpunt dat vaak voorkomt in een typische siliciumzonnecel. De radiale geometrie-array ook, zoals fotostroom- en optische transmissiemetingen door Yang en Garrett onthulden, verbetert de lichtvangst aanzienlijk.

“Omdat elke individuele nanodraad in de array een pn-overgang heeft, elk fungeert als een individuele zonnecel, ' zegt Yang. “Door de lengte van de nanodraden in onze arrays aan te passen, we kunnen hun lichtvangende padlengte vergroten.”

Terwijl de conversie-efficiëntie van deze nanodraden op zonne-energie slechts ongeveer vijf tot zes procent was, Yang zegt dat deze efficiëntie werd bereikt met weinig inspanning in oppervlaktepassivering, antireflectie, en andere efficiëntieverhogende aanpassingen.

“Met verdere verbeteringen, vooral in oppervlaktepassivering, we denken dat het mogelijk is om de efficiëntie tot boven de 10 procent te duwen, ' zegt Yang.

Door een conversie-efficiëntie van 10 procent of beter te combineren met de sterk verminderde hoeveelheden uitgangssiliciummateriaal en de mogelijkheid om silicium van metallurgische kwaliteit te gebruiken, zou het gebruik van silicium nanodraden een aantrekkelijke kandidaat moeten maken voor grootschalige ontwikkeling.

Als een bijkomend pluspunt zegt Yang:"Onze techniek kan worden gebruikt in bestaande productieprocessen voor zonnepanelen."