Een van de grootste uitdagingen in de wereld van vandaag is de energiecrisis. De grote vraag en het lage aanbod van fossiele brandstoffen drijven de olie- en voedselprijzen op. Zonnecellen op basis van silicium zijn een van de meest veelbelovende technologieën voor het opwekken van schone en hernieuwbare energie. Het gebruik van deze apparaten om slechts een fractie van het zonlicht dat elke dag op de aarde valt om te zetten in elektriciteit, zou de afhankelijkheid van de samenleving van fossiele brandstoffen drastisch kunnen verminderen. Helaas, echter, hoogwaardige siliciumkristallen vragen veel zorg tijdens het fabricageproces, waardoor de resulterende hoge productiekosten een van de belangrijkste obstakels op de weg naar commercialisering worden.

Een manier om de productiekosten van deze zonnecellen te verlagen, is door siliciumlagen af ​​te zetten op goedkopere substraten zoals plastic of glas. Echter, deze benadering heeft één nadeel:dunne siliciumfilms hebben een lagere energieconversie-efficiëntie dan bulksiliciumkristallen omdat ze minder licht absorberen en meer defecten bevatten. Patrick Lo van het A*STAR Institute of Microelectronics en zijn collega's hebben nu een methode ontdekt om de energieconversie-efficiëntie van dunne siliciumfilms die op goedkope substraten zijn afgezet, te verhogen.

Laagwaardige dunne siliciumfilms hebben één inherent probleem:ze kunnen geen fotonen absorberen waarvan de golflengten groter zijn dan hun filmdikte. Bijvoorbeeld, een standaard, 800 nm dikke dunne film kan blauw licht met een korte golflengte opvangen, maar zal rood licht met een langere golflengte volledig missen. “Om de materiaalkosten laag te houden en de lichtefficiëntie te verbeteren, de truc is om meer fotonen te vangen, inclusief die met gemiddelde golflengten, ' zegt Lo.

Een manier om meer fotonen in de dunne siliciumfilm te vangen, is door kleine siliciumpilaren - honderden nanometers groot - in het siliciumoppervlak te kerven (zie afbeelding). Lo legt uit dat de silicium nanopilaren zijn als een bos van bomen, waarin licht binnenkomt en er niet gemakkelijk uit kan. “Als er licht op het oppervlak valt, het stuitert nog een paar keer langs of in de pilaren voordat het door het onderste vlakke oppervlak dringt, ' zegt hij. "Elke stuiterende gebeurtenis verhoogt de kans op fotonabsorptie."

Lo en collega's gebruikten computersimulaties om de beste configuratie te bepalen voor het extraheren van elektrische ladingen uit de defecte siliciumfilms. Ze ontdekten dat het bovenste gedeelte van elke pilaar extreem geleidend kan worden gemaakt door grote hoeveelheden doteermiddelen in te brengen. Lo en collega's gebruiken deze praktische richtlijnen nu om een ​​prototype van dit unieke concept te ontwikkelen. “Werken met nanostructuren is een prachtige manier om paden te openen die de limieten van de conventionele natuurkunde kunnen overschrijden, ’ merkt hij op.