Sterk gezuiverd silicium vertegenwoordigt tot 40 procent van de totale kosten van conventionele zonnecelarrays - dus onderzoekers hebben lang geprobeerd het vermogen te maximaliseren en tegelijkertijd het gebruik van silicium te minimaliseren. Nutsvoorzieningen, een team van MIT heeft een nieuwe aanpak gevonden die de dikte van het gebruikte silicium met meer dan 90 procent kan verminderen, terwijl de hoge efficiëntie behouden blijft.

Het geheim ligt in een patroon van kleine omgekeerde piramides die in het oppervlak van het silicium zijn geëtst. Deze kleine inkepingen, elk minder dan een miljoenste van een meter breed, kunnen lichtstralen net zo effectief opvangen als conventionele massieve siliciumoppervlakken die 30 keer dikker zijn.

De nieuwe bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters in een paper van MIT-postdoc Anastassios Mavrokefalos, professor Gang Chen, en drie andere postdocs en afstudeerders, alle MIT's Department of Mechanical Engineering.

“We zien onze methode als het verbeteren van de prestaties van dunnefilmzonnecellen, "Mavrokefalos zegt, maar het zou eigenlijk werken voor alle siliciumcellen. “Het zou de efficiëntie verhogen, ongeacht de dikte, ' zegt hij.

Afgestudeerd student Matthew Branham, een co-auteur van het artikel, zegt, "Als je de hoeveelheid silicium [in een zonnecel] drastisch kunt verminderen, kun je potentieel een groot verschil maken in de productiekosten. Het probleem is, als je het heel dun maakt, het absorbeert ook geen licht.”

De werking van een zonnecel vindt plaats in twee basisstappen:een binnenkomend deeltje licht, een foton genoemd, binnendringt en wordt geabsorbeerd door het materiaal, in plaats van te reflecteren op het oppervlak of er dwars doorheen te gaan. Tweede, elektronen die uit hun atomen worden geslagen wanneer dat foton wordt geabsorbeerd, moeten dan hun weg vinden naar een draad waar ze kunnen worden gebruikt om een ​​elektrische stroom te produceren, in plaats van alleen maar gevangen te worden door andere atomen.

Helaas, de meeste inspanningen om het vermogen van dun kristallijn silicium om fotonen te vangen te vergroten - zoals door een woud van kleine silicium nanodraden op het oppervlak te creëren - vergroten ook het oppervlak van het materiaal aanzienlijk, waardoor de kans groter wordt dat elektronen aan het oppervlak recombineren voordat ze kunnen worden benut.

De nieuwe aanpak voorkomt dat probleem. De kleine inkepingen in het oppervlak - het team noemt ze "omgekeerde nanopiramides" - verhogen de lichtabsorptie aanzienlijk, maar met slechts een toename van 70 procent in oppervlakte, oppervlakterecombinatie te beperken. Met behulp van deze methode, een laag kristallijn silicium van slechts 10 micrometer (miljoensten van een meter) dik kan licht even efficiënt absorberen als een conventionele siliciumwafel die 30 keer zo dik is.

Dat zou niet alleen de hoeveelheid dure, sterk gezuiverd silicium nodig om de zonnecellen te maken, Mavrokefalos legt uit, maar ook het gewicht van de cellen verminderen, wat op zijn beurt het materiaal dat nodig is voor frames en steunen zou verminderen. De potentiële kostenbesparingen zitten “niet alleen in het celmateriaal, maar ook in de installatiekosten, ' zegt hij.

In aanvulling, de door Mavrokefalos en zijn collega's ontwikkelde techniek maakt gebruik van apparatuur en materialen die al standaard zijn bij de verwerking van siliciumchips, er zijn dus geen nieuwe productiemachines of chemicaliën nodig. “Het is heel gemakkelijk te fabriceren, "Mavrokefalos zegt, toch "pakt het grote problemen aan."

Om de kleine deukjes te maken, de onderzoekers gebruiken twee sets overlappende laserstralen om uitzonderlijk kleine gaatjes te produceren in een laag materiaal - een fotoresist genaamd - die bovenop het silicium wordt afgezet. Deze techniek van interferentielithografie is schaalbaar tot een groot gebied. Na een aantal tussenstappen, een chemische stof genaamd kaliumhydroxide wordt gebruikt om delen van het oppervlak op te lossen die niet door de fotoresist werden bedekt. De kristalstructuur van silicium leidt dit etsproces om de gewenste piramidale vormen in het oppervlak te produceren, zegt Mavrokefalos.

Tot dusver, het team heeft pas de eerste stap gezet naar het maken van het nieuwe type zonnecellen, het produceren van het patroonoppervlak op een siliciumwafel en het demonstreren van de verbetering in het opvangen van licht. De volgende stap is om componenten toe te voegen om een ​​echte fotovoltaïsche cel te produceren en vervolgens aan te tonen dat de efficiëntie vergelijkbaar is met die van conventionele zonnecellen. De verwachting is dat de nieuwe aanpak een energieconversie-efficiëntie van ongeveer 20 procent zal opleveren - vergeleken met 24 procent voor de beste huidige commerciële siliciumzonnecellen - maar dit moet in de praktijk nog worden bewezen.

Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar Power Engineering en directeur van MIT's Pappalardo Micro and Nano Engineering Laboratories, zegt dat als alles goed gaat, het systeem kan in de nabije toekomst leiden tot commerciële producten.

Chen zegt dat het idee is ontwikkeld na analyse van een grote verscheidenheid aan mogelijke oppervlakteconfiguraties in computersimulaties, en het vinden van de regeling die de grootste potentiële prestatieverbeteringen vertoonde. Maar veel teams over de hele wereld volgen tal van benaderingen om de prestaties van zonnecellen te verbeteren met behulp van verschillende materialen, productiemethoden en configuraties.

“Het is moeilijk om een ​​winnaar te kiezen, "zegt hij, maar deze aanpak belooft veel. "We zijn behoorlijk optimistisch dat dit een haalbare aanpak is."

Yi Cui, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan de Stanford University, zegt dat dit werk “zeer opwindende resultaten opleverde. De potentiële praktische impact van dit werk kan aanzienlijk zijn, omdat het een effectieve structuur biedt voor fotonenbeheer om dunne cellen mogelijk te maken.”

Cui zegt dat aangezien de kosten van het siliciummateriaal "aanzienlijk bijdragen aan de kosten van zonnecellen, "Het ontwikkelen van dunne siliciumzonnecellen die toch fotonen efficiënt kunnen absorberen "is belangrijk om de kosten te verlagen."

Het werk, waarbij ook postdocs Sang Eon Han en Selcuk Yerci betrokken waren, werd ondersteund door het Sunshot-programma van het Amerikaanse ministerie van Energie en door de National Science Foundation.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.