imec, samen met zijn projectpartners, hebben samengewerkt binnen een EU 7e Kaderprogramma (FP7) project PRIMA om zowel de efficiëntie als de kosten van zonnecellen te verbeteren. Vooral, ze hebben gewerkt aan een lichtvangstrategie met behulp van metalen nanostructuren waarmee plasmonen de absorptie in de zonnecelstructuur kunnen vergroten.

Nanogestructureerde metalen kunnen licht op specifieke golflengten absorberen en versterken. Dit fenomeen, plasmonica genoemd, heeft veel veelbelovende toepassingen:het kan worden gebruikt om optische signalen te verzenden via interconnecties op nanoschaal op chips, in nanodeeltjes die biomoleculen herkennen en ermee interageren, of in zonnecellen, om de lichtabsorptie in het fotoactieve materiaal van de cel te verhogen, de weg vrijmaakt voor dunnere en dus goedkopere energieopwekking. Tijdens het Europese FP7 PRIMA-project, imec en zijn projectpartners Imperial College (Londen, VK), Chalmers University of Technology (Zweden), Fotovoltech (België), Quantasol (VK), AZUR SPACE Solar Power (Duitsland), en de Australian National University (Australië) hebben essentiële kennis opgedaan over het gebruik van metalen nanodeeltjes om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren.

Een van de resultaten van het project was de ontwikkeling en demonstratie van een methode om organische zonnecellen te fabriceren met een plasmonische nanogestructureerde zilveren (Ag) achterste elektrode met behulp van colloïdale lithografie met gatenmasker (HCL). Deze goedkope, bottom-up en uiterst veelzijdige techniek bleek compatibel te zijn met de fragiele organische halfgeleiders die zich eronder bevinden. De introductie van een plasmonische nanogestructureerde Ag-achterelektrode resulteerde in een meer dan tweevoudige efficiëntieverbetering in de absorptiestaart.

Met betrekking tot zonnecellen op basis van wafels, zoals die op basis van silicium, onze resultaten geven aan dat om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, plasmonische structuren moeten worden geïntegreerd aan de achterkant van de zonnecellen, en niet aan de voorkant. Ag nanodiscs op de diëlektrische antireflectiecoating (ARC) aan de voorzijde van op silicium gebaseerde zonnecellen resulteerden in een verbeterde lichtabsorptie maar geen efficiëntieverhoging, door parasitaire absorptie in de nanodeeltjes en destructieve interferenties.

Er is een 3D-simulatietool ontwikkeld, nauwkeurig modelleren van zowel optische als elektrische kenmerken van zonnecelapparaten op basis van anorganische halfgeleiders die plasmonische nanostructuren bevatten. Het model gaf aan dat gouden of zilveren nanodeeltjes de efficiëntie van zonnecellen bij bepaalde golflengten kunnen verbeteren, terwijl op andere golflengten, de prestaties van de zonnecel gaan achteruit. Aluminium nanostructuren, anderzijds, kunnen de efficiëntie over het gehele relevante spectrale gebied van een zonnecel verbeteren vanwege hun intrinsiek lage lichtabsorptie en sterke verstrooiing. Dit is experimenteel aangetoond op GaAs-zonnecellen, maar kan ook worden gegeneraliseerd naar siliciumcellen.