(PhysOrg.com) -- Ultradunne zonnecellen kunnen zonlicht efficiënter absorberen dan de dikkere, duurder te maken siliciumcellen die tegenwoordig worden gebruikt, omdat licht zich op schalen rond een nanometer anders gedraagt, zeggen Stanford-ingenieurs. Ze berekenen dat door de diktes van verschillende dunne filmlagen goed te configureren, een dunne film van organisch polymeer kan tot 10 keer meer energie uit zonlicht absorberen dan voor mogelijk werd gehouden.

In de gladde, wit, voor konijnen geschikte cleanroomwereld van siliciumwafels en zonnecellen, het blijkt dat een beetje ruwheid een lange weg kan gaan, misschien helemaal om van zonne-energie een betaalbare energiebron te maken, zeggen Stanford-ingenieurs.

Hun onderzoek toont aan dat licht dat rondslingert in de polymeerfilm van een zonnecel zich anders gedraagt ​​wanneer de film ultradun is. Een film die dun is op nanoschaal en een beetje opgeruwd is, kan meer dan 10 keer de energie absorberen die door de conventionele theorie wordt voorspeld.

De sleutel tot het overwinnen van de theoretische limiet ligt in het lang genoeg in de greep van de zonnecel houden van het zonlicht om de maximale hoeveelheid energie eruit te persen. met behulp van een techniek genaamd "light trapping". Het is hetzelfde alsof je hamsters gebruikt die op kleine wieltjes rennen om je elektriciteit op te wekken - je zou willen dat elke hamster zoveel mogelijk kilometers logt voordat hij eraf springt en wegrent.

"Hoe langer een foton van licht in de zonnecel zit, hoe groter de kans dat het foton geabsorbeerd wordt, " zei Shanhui Fan, universitair hoofddocent elektrotechniek. De efficiëntie waarmee een bepaald materiaal zonlicht absorbeert, is van cruciaal belang bij het bepalen van de algehele efficiëntie van de omzetting van zonne-energie. Fan is senior auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven dat deze week online is gepubliceerd door Proceedings van de National Academy of Sciences .

Lichtopsluiting wordt al tientallen jaren gebruikt met siliciumzonnecellen en wordt gedaan door het oppervlak van het silicium op te ruwen om binnenkomend licht een tijdje in de cel te laten kaatsen nadat het doordringt, in plaats van direct weer naar buiten te reflecteren, zoals bij een spiegel. Maar door de jaren heen hoeveel onderzoekers ook aan de techniek hebben gesleuteld, ze konden de efficiëntie van typische "macroschaal" siliciumcellen niet boven een bepaald bedrag verhogen.

Uiteindelijk realiseerden de wetenschappers zich dat er een fysieke limiet was met betrekking tot de snelheid waarmee licht binnen een bepaald materiaal reist.

Maar licht heeft een tweeledig karakter, soms gedragen als een vast deeltje (een foton) en soms als een golf van energie, en Fan en postdoctoraal onderzoeker Zongfu Yu besloten om te onderzoeken of de conventionele limiet voor het opvangen van licht waar was in een omgeving op nanoschaal. Yu is de hoofdauteur van de PNAS-paper.

"Vroeger dachten we allemaal dat licht in een rechte lijn ging, " zei Fan. "Bijvoorbeeld, een lichtstraal raakt een spiegel, het stuitert en je ziet nog een lichtstraal. Dat is de typische manier waarop we in de macroscopische wereld over licht denken.

"Maar als je naar de nanoschalen gaat waarin we geïnteresseerd zijn, honderden miljoensten van een millimeter in schaal, het blijkt dat de golfkarakteristiek echt belangrijk wordt."

Zichtbaar licht heeft golflengten van ongeveer 400 tot 700 nanometer (miljardste van een meter), maar zelfs op die kleine schaal, ventilator zei, veel van de structuren die Yu analyseerde, hadden een theoretische limiet die vergelijkbaar was met de conventionele limiet die door experiment werd bewezen.

"Een van de verrassingen van dit werk was de ontdekking hoe robuust de conventionele limiet is, ' zei Fan.

Pas toen Yu het gedrag van licht begon te onderzoeken in een materiaal met een diepe subgolflengteschaal - aanzienlijk kleiner dan de golflengte van het licht - werd het hem duidelijk dat licht voor een langere tijd kan worden opgesloten, het verhogen van de energieabsorptie boven de conventionele limiet op macroschaal.

"De hoeveelheid voordelen van opsluiting op nanoschaal die we hier hebben laten zien, is echt verrassend, " zei Yu. "Het overwinnen van de conventionele limiet opent een nieuwe deur naar het ontwerpen van zeer efficiënte zonnecellen."

Yu bepaalde door middel van numerieke simulaties dat de meest effectieve structuur om te profiteren van de voordelen van opsluiting op nanoschaal een combinatie was van verschillende soorten lagen rond een organische dunne film.

Hij plaatste de organische dunne film tussen twee lagen materiaal - "bekledingslagen" genoemd - die als opsluitende lagen fungeerden zodra het licht door de bovenste in de dunne film viel. Bovenop de bovenste bekledingslaag, hij plaatste een gestructureerde laag met een ruw oppervlak, ontworpen om het binnenkomende licht in verschillende richtingen te sturen wanneer het de dunne film binnenkwam.

Door de parameters van de verschillende lagen te variëren, hij was in staat om een ​​12-voudige toename van de absorptie van licht in de dunne film te bereiken, vergeleken met de macroschaallimiet.

Zonnecellen op nanoschaal bieden besparingen op materiaalkosten, omdat de dunne films van organisch polymeer en andere gebruikte materialen goedkoper zijn dan silicium en, nanoschaal zijn, de voor de cellen benodigde hoeveelheden zijn veel kleiner.

De organische materialen hebben ook het voordeel dat ze in chemische reacties in oplossing worden vervaardigd, in plaats van verwerking bij hoge temperatuur of vacuüm, zoals vereist is voor de vervaardiging van silicium.

"Het meeste onderzoek is tegenwoordig gericht op veel verschillende soorten materialen voor zonnecellen, " zei Fan. "Waar dit een grotere impact zal hebben, is in sommige opkomende technologieën; bijvoorbeeld, in organische cellen."

"Als je het goed doet, er is een enorm potentieel aan verbonden, ' zei Fan.

Aaswath Raman, een afgestudeerde student toegepaste natuurkunde, werkte ook aan het onderzoek en is co-auteur van het artikel.