(PhysOrg.com) -- De best presterende zonnecellen zijn die welke dik genoeg zijn om licht van het hele zonnespectrum te absorberen, terwijl de goedkoopste zonnecellen dunne zijn, omdat ze minder nodig hebben, en mogelijk goedkoper, materiaal. In een poging om het beste van twee werelden te combineren, een team van wetenschappers heeft ontwerpen geschetst voor zonnecellen die licht uit het hele zonnespectrum kunnen absorberen en toch maar 10 nanometer dik zijn. De nieuwe ontwerpbenadering, die kunnen leiden tot verbeterde goedkope zonnecellen, vereist het overwinnen van een thermodynamische lichtvanglimiet die in de jaren tachtig werd voorgesteld.

De wetenschappers, Dennis Callahan, Jeremy Munday, en Harry Atwater, van het California Institute of Technology in Pasadena, Californië, hebben de nieuwe methode van lichtvangen voorbij de conventionele limiet gerapporteerd in een studie gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

Hun werk richt zich op een onderzoek uit 1982 waarin een thermodynamische limiet werd voorgesteld voor hoeveel van het optische golflengtebereik kan worden geabsorbeerd door homogene bulkhalfgeleiderplaten. De limiet vereist dat deze materialen een minimale dikte hebben om licht uit het volledige zonnespectrum te absorberen. Als resultaat, de halfgeleiderzonnecellen van tegenwoordig zijn over het algemeen ontworpen met dikke absorberende lagen om zoveel mogelijk zonlicht op te vangen, die duur en ingewikkeld kan zijn om te fabriceren.

Eerdere analyses van deze lichtvanglimiet (die soms de straaloptische limiet of ergodische lichtvanglimiet wordt genoemd) hebben aangetoond dat sommige zonnecellen de limiet daadwerkelijk overschrijden door gebruik te maken van golfinteracties. Hoewel onderzoekers theoretisch hebben uitgelegd hoe dit in bepaalde gevallen gebeurt, er is geen algemene verklaring die kan worden uitgebreid tot de grote verscheidenheid aan voorgestelde lichtvangsystemen die mogelijk ook de limiet kunnen overschrijden.

Hier, de Caltech-wetenschappers hebben voorgesteld dat de sleutel tot het overwinnen van de limiet voor het opvangen van licht ligt in het vergroten van de dichtheid van de optische toestanden van een halfgeleider. Omdat elk van deze toestanden licht van een bepaalde golflengte kan accepteren, als je er meer van hebt, kan de hoeveelheid licht die een materiaal kan absorberen, toenemen.

"Het is nu duidelijk hoe zonnecellen moeten worden bedacht en ontworpen die deze eerdere lichtvanglimiet kunnen overschrijden, ” vertelde Callahan PhysOrg.com . “Je hoeft alleen maar een manier te bedenken om de dichtheid van optische toestanden te vergroten, en vervolgens deze staten bevolken. Er zijn veel tools en methoden die zijn ontworpen om de dichtheid van optische toestanden voor andere onderzoeksgebieden te vergroten, bijvoorbeeld optische communicatie en kwantumoptica. Maar nu kunnen zonnecelonderzoekers deze ideeën met behulp van ons werk in de juiste context voor zonnecellen plaatsen. Ook, als iemand met een bepaald type zonnecel werkt, het moet nu duidelijk zijn of het potentieel heeft om de vorige limiet te overschrijden of niet.

De onderzoekers toonden aan dat elk halfgeleidermateriaal de lichtvanglimiet kan overschrijden wanneer de lokale dichtheid van optische toestanden (LDOS) van de absorberende laag de LDOS van het bulkhalfgeleidermateriaal overschrijdt. Ze laten ook zien dat het verbeteren van de LDOS van de absorber tot een niveau dat nodig is om 99,9% van het zonnespectrum te absorberen, zelfs haalbaar is voor halfgeleiders zo dun als 10-100 nanometer (vergeleken met micrometer-dikke lagen die in de huidige commerciële apparaten worden gebruikt).

"Onze resultaten suggereren dat als je de elektromagnetische omgeving op de juiste manier kunt ontwerpen, het mogelijk moet zijn om zo dun te worden als 10 nm, ' zei Callahan. "Het is gewoon een kwestie van hoe je het op de juiste manier ontwerpt en zonder ongewenste parasitaire verliezen te introduceren. Dit is zeker een uitdaging, maar is iets waar we momenteel over nadenken. Nutsvoorzieningen, een zonnecel van 10 nm is waarschijnlijk onpraktisch om andere redenen, zoals de noodzaak van meerdere lagen, oppervlakte recombinatie, potentiële kwantumeffecten, enzovoort., maar behoort nog steeds tot de mogelijkheden.”

De belangrijkste limiet voor het verhogen van de LDOS van de absorberende laag ontstaat door de "dichtheid van toestandssomregels, ” die zeggen dat het verhogen van de LDOS in een gebied van het spectrum resulteert in een afname in een ander gebied van het spectrum. Zoals de wetenschappers uitleggen, dit behoud van LDOS vindt van nature plaats door een proces dat spectrale herweging wordt genoemd, en kan mogelijk ook kunstmatig worden gemanipuleerd. Hoewel deze regel een bovengrens oplegt aan de absorptie van een zonnecel, de onderzoekers leggen uit dat het de absorptie van zonnecellen voor praktische doeleinden niet mag beperken. Dit komt omdat LDOS-verbetering alleen nodig is in het zonnespectrum, terwijl LDOS kan worden verlaagd in elk gebied buiten het zonnespectrum, een veel groter gebied. Om deze reden, andere fysieke en praktische beperkingen, zoals verzadigings- of fabricage-uitdagingen, zal waarschijnlijk relevant worden voordat een limiet is bereikt voor het verhogen van de LDOS.

De wetenschappers toonden ook aan dat een verscheidenheid aan ontwerpen van zonneabsorbers kunnen voldoen aan de fundamentele criteria die hier worden voorgesteld voor het overschrijden van de conventionele lichtvanglimiet, d.w.z., een LDOS vertonen die hoger is dan die van het stortgoed. Sommige ontwerpen omvatten het gebruik van plasmonische materialen, diëlektrische golfgeleiders, fotonische kristallen, en andere apparaten.

"We proberen momenteel manieren te vinden om de dichtheid van optische toestanden zo hoog mogelijk te maken en te vergroten binnen een praktisch zonnecelontwerp, ' zei Callahan. “Dit is een uitdagende taak voor materialen met een hoge index zoals silicium, maar er zijn veel mogelijkheden die we momenteel onderzoeken en die er veelbelovend uitzien.”

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.