(Phys.org)—Wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy hebben zonnecellen geproduceerd met behulp van nanotechnologietechnieken met een efficiëntie - 18,2% - die concurrerend is. De doorbraak zou een belangrijke stap moeten zijn om de kosten van zonne-energie te helpen verlagen.

NREL heeft een nanogestructureerd oppervlak op maat gemaakt en ervoor gezorgd dat de door licht opgewekte elektriciteit toch efficiënt kan worden opgevangen uit de zonnecel. De onderzoekers maakten nano-eilanden van zilver op een siliciumwafel en dompelden deze kort onder in vloeistoffen om miljarden nano-gaatjes te maken in elke vierkante centimeter van het siliciumwafeloppervlak. De gaten en siliciumwanden zijn kleiner dan de lichtgolflengten die ze raken, zodat het licht geen plotselinge verandering in dichtheid aan het oppervlak herkent en, dus, reflecteren niet terug in de atmosfeer als verspilde energie. De onderzoekers controleerden de nanovormen en de chemische samenstelling van het oppervlak om een ​​recordrendement voor zonnecellen te bereiken voor dit 'zwarte silicium'-materiaal.

De krant, "Een 18,2% efficiënte zonnecel van zwart silicium bereikt door controle van recombinatie van dragers in nanostructuren" door Jihun Oh van NREL, Hao Chih Yuan, en Howard Branz, verschijnt momenteel op Natuur Nanotechnologie 's website.

Typisch, zonnecelfabrikanten moeten een extra antireflectielaag aanbrengen, of twee, naar hun cellen, wat de kosten aanzienlijk verhoogt.

NREL had eerder aangetoond dat hun nanostructuren minder licht weerkaatsen dan de beste antireflectielagen van een zonnecel. Maar tot nu toe, ze waren niet in staat geweest om met hun zwarte siliciumcellen een algehele efficiëntie te bereiken die de beste cijfers voor andere siliciumcellen kon benaderen.

Oh, Yuan, en Branz, moest eerst bepalen waarom het grotere oppervlak van de nanostructuren de verzameling van elektriciteit drastisch verminderde en de spanning en stroom van de cellen aantastte.

Hun experimenten toonden aan dat het hoge oppervlak, en vooral een proces dat Auger-recombinatie wordt genoemd, de verzameling van fotonen op de meeste nanogestructureerde zonnecellen beperken. Ze concludeerden dat deze Auger-recombinatie wordt veroorzaakt wanneer te veel van de doteringsverontreinigingen die worden aangebracht om de cel te laten werken door het nanogestructureerde oppervlak komen.

Dit wetenschappelijke inzicht stelde hen in staat om Auger-recombinatie te onderdrukken met lichtere en ondiepere doping. Door deze lichtere doping te combineren met iets gladdere nanovormen, ze kunnen een 18,2% efficiënte zonnecel bouwen die zwart is maar bijna ideaal reageert op bijna het hele zonnespectrum.

De afdeling Energie financierde de onderzoeksbeurs via de American Recovery and Reinvestment Act.

Branz, hoofdonderzoeker van de subsidie, zei, "Dit werk kan een grote impact hebben op zowel conventionele als opkomende zonnecellen op basis van nanodraden en nanobolletjes. Voor het eerst laat het zien dat er echt geweldige zonnecellen kunnen worden gemaakt van nanogestructureerde halfgeleiders."

Branz heeft toegevoegd, "De volgende uitdaging is om deze resultaten te vertalen naar de gangbare industriële praktijk en vervolgens de efficiëntie boven de 20% te krijgen. Ik hoop dat dit soort nanostructureringstechnieken worden gebruikt op veel dunnere cellen om minder halfgeleidermateriaal te gebruiken."

"Nu hebben we een duidelijke studie die laat zien hoe het optimaliseren van het oppervlak en de doping samen een betere efficiëntie kunnen geven, " zei Yuan. "Het oppervlak en de dopingconcentratie in de buurt van het oppervlak beïnvloeden de prestaties van nanogestructureerde zonnecellen."

eerste auteur, Oh, een NREL Postdoctoral Fellow zei dat de NREL-studie "duidelijk aantoont dat de juiste combinatie van een zorgvuldig nanogestructureerd oppervlak en goede verwerking de kosten kan verlagen en ongewenste reflectie van zonlicht kan verminderen."