(Phys.org) —Onderzoekers hebben aangetoond hoe de efficiëntie van dunnefilmzonnecellen kan worden verhoogd, een technologie die goedkope zonne-energie kan opleveren. De aanpak maakt gebruik van 3D "fotonische kristallen" om meer zonlicht te absorberen dan conventionele dunnefilmcellen.

De synthetische kristallen hebben een structuur die een "inverse opaal" wordt genoemd om gebruik te maken van en de eigenschappen van de edelstenen te verbeteren om te reflecteren, binnenkomend zonlicht afbuigen en buigen.

"Gebruikelijk, in dunne-film silicium zonnecellen komt veel van het zonlicht direct weer naar buiten, maar met onze benadering komt het licht binnen en wordt het afgebogen, waardoor het zich in een parallel pad binnen de film voortplant, zei Peter Bermel, een assistent-professor aan de Purdue University's School of Electrical and Computer Engineering en Birck Nanotechnology Center.

Vergeleken met zonnecellen gemaakt van siliciumwafels, de kosten worden 100 keer verlaagd voor de dunne films. Echter, ze zijn minder efficiënt.

"De vraag is, kunnen we die lagere efficiëntie compenseren door nieuwe benaderingen van lichtvangst voor dunne-filmzonnecellen te introduceren?', zei Bermel. 'Kunnen we lage kosten en hoge prestaties combineren?'

De onderzoekers zijn de eersten die de opname van de 3D-fotonische kristallen demonstreren om de lichtvangst in kristallijne siliciumzonnecellen te vergroten. Experimentele bevindingen wijzen op een efficiëntieverhoging van ongeveer 10 procent ten opzichte van conventionele dunne siliciumfilms, met nog meer verbeterpotentieel.

De technologie is beter in het absorberen en oogsten van nabij-infrarood licht.

"Een belangrijke reden waarom zonnecellen van dunne-film silicium een ​​lager rendement hebben, is dat ze nabij-infrarood licht niet erg effectief absorberen, "Zei Bermel. "Licht in het nabij-infraroodbereik is belangrijk omdat er veel zonne-energie is in dat golflengtebereik en ook omdat silicium nabij-infraroodlicht in energie kan omzetten als het het kan absorberen, maar dunne films absorberen het niet volledig."

De bevindingen werden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper dat in oktober verscheen in het peer-reviewed wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde optische materialen .

Het artikel is geschreven door doctoraalstudent Leo T. Varghese, wie is afgestudeerd; onderzoeksprofessor Yi Xuan; promovendus Ben Niu; voormalig promovendus Li Fan, die ook is afgestudeerd; Bermels; en Minghao Qi, een universitair hoofddocent van elektrische en computer engineering.

De onderzoekers creëerden inverse opalen met behulp van een proces dat meniscusgestuurde zelfassemblage wordt genoemd.

"Je zou ze op bestelling of op maat kunnen maken, en we besloten ze te maken voor zonnecellen om de absorptie van licht te verbeteren, ' zei Qi.

Silicium is al jaren het dominante materiaal dat wordt gebruikt in zonnecellen. Echter, zonnecellen gemaakt van dikke monokristallijne siliciumwafels zijn te duur om praktisch te zijn voor wijdverbreide toepassing. Deze beperking heeft de recente innovatie in multikristallijne en dunne-film silicium zonnecellen gestimuleerd.

"Ons uitgangspunt is om slechts 1 procent zoveel materiaal te gebruiken als een siliciumwafel met behulp van deze dunne films van kristallijn silicium, ' zei Qi.

Toepassingen voor dunnefilmzonnecellen zijn onder meer het opwekken van elektriciteit voor nutsbedrijven en het huis, maar ook kleinere toepassingen zoals mobiel opladen van elektronische apparaten.

Natuurlijke opalen creëren regenboogpatronen die worden veroorzaakt wanneer verschillende golflengten van licht onder verschillende hoeken worden afgebogen. Opalen zijn gemaakt van vaste silicabolletjes in een matrix van een ander materiaal. De nieuwe kunststofstructuren worden inverse opalen genoemd omdat ze bestaan ​​uit holle luchtbollen omringd door silicium.

De onderzoekers bouwen eerst een standaard opaalstructuur. De bollen worden in een oplossing geplaatst, die verdampt, het verlaten van de zelf-geassembleerde structuur.

"Terwijl het verdampt, worden de bollen op het substraat gestapeld, precies bij de meniscus, het grensvlak tussen de vloeistof en de lucht, ' zei Varghese.

Fabrikanten verhogen nu de lichtabsorptie door willekeurige texturen op de dunne films te etsen of af te zetten.

"We denken dat het het beste is om zowel de getextureerde willekeur als de geordende structuur te combineren, "Zei Bermel. "De textuur helpt goed bij sommige golflengten en de geordende structuur helpt bij andere."