In de zoektocht om zonne-energie concurrerender te maken, onderzoekers ontwerpen ultradunne zonnecellen die materiaalkosten verlagen. Tegelijkertijd houden ze deze dunne cellen efficiënt door hun oppervlakken te boetseren met fotovoltaïsche nanostructuren die zich gedragen als een moleculaire spiegelzaal.

"We willen ervoor zorgen dat licht meer quality time doorbrengt in een zonnecel, zei Mark Brongersma, een professor in materiaalkunde en techniek aan Stanford en co-auteur van een overzichtsartikel in Natuurmaterialen .

Brongersma en twee Stanford-collega's - universitair hoofddocent materiaalwetenschap en -techniek Yi Cui en hoogleraar elektrotechniek Shanhui Fan - onderzochten 109 recente wetenschappelijke artikelen van teams over de hele wereld.

Hun overzicht draait om een ​​basisthema:kijken naar de vele verschillende manieren waarop onderzoekers proberen de botsingen tussen fotonen en elektronen in de dunst mogelijke lagen fotovoltaïsche materialen te maximaliseren. Het doel is om trends en best practices te onthullen die de ontwikkelingen in het veld zullen helpen stimuleren.

Zonne-energie wordt geproduceerd wanneer fotonen van licht botsen met de elektronen in een fotovoltaïsch kristal. Terwijl losse elektronen door het kristal bewegen, ze wekken een elektrische stroom op.

De zonnecellen van vandaag zijn al dun. Ze zijn opgebouwd uit lagen fotovoltaïsche materialen, algemeen silicium, die gemiddeld 150 tot 300 micrometer zijn, dat is ongeveer de diameter van twee tot drie menselijke haren.

Terwijl ingenieurs die afmetingen blijven verkleinen, moeten ze nieuwe moleculaire vallen en strikken ontwikkelen om ervoor te zorgen dat fotonen niet simpelweg door hun ultradunne zonnecellen suizen voordat de elektrische vonken kunnen vliegen.

"Veel van de opwinding gaat nu over het gebruik van de principes van fotonica om lichtgolven op de meest efficiënte manier te beheren, Fan zei. "Er zijn misschien honderden groepen in de wereld die hieraan werken."

Het overzichtsartikel geeft een beeld op hoog niveau van hoe wetenschappers structuren proberen te ontwerpen om interacties tussen de oneindig kleine aanstichters van zonnestroom te vergemakkelijken, de fotonen en de elektronen.

Onderzoek staat voor enorme uitdagingen bij het ontwerpen van nanostructuren die zijn afgestemd om licht te vangen. Zonlicht bestaat uit vele kleuren. Als we de regenboog zien, wat we zien is het resultaat van atmosferisch vocht dat werkt als een prisma om licht in zijn samenstellende kleuren te buigen. Het creëren van verschillende nanostructuren om de pot met fotonen aan het einde van elke kleur van de regenboog te vangen, maakt deel uit van waar dit onderzoek over gaat.

Hoe dan ook, wetenschappers melden al enig succes

"We zien systemen die een honderdste zoveel fotovoltaïsch materiaal gebruiken als de zonnecellen van vandaag, terwijl ze 60 tot 70 procent van de elektrische output krijgen, ', aldus Brongersma.

Het meest algemene fotovoltaïsch materiaal is een verfijnde vorm van silicium, vergelijkbaar met die in computerchips. Dit materiaal is goed voor 10 tot 20 procent van de kosten van een zonnecel. Het 100-voudig verlagen van die kosten zou daarom een ​​aanzienlijk effect hebben op de algehele kostenefficiëntie van de productie van zonne-energie.

Maar Cui zegt dat het verlagen van de materiaalkosten slechts een deel is van de duw achter ultradunne zonne-energie. Een ander voordeel is flexibiliteit. Door de dikte van de lichtvangende siliciumlaag, de zonnecellen van vandaag moeten stijf worden gehouden om te voorkomen dat hun kristalrooster wordt beschadigd en de stroom van elektronen wordt verstoord.

"Maar met een dikte van 10 micrometer heeft silicium een ​​hoge mate van mechanische flexibiliteit, " zei Cui, daarbij verwijzend naar een afmeting van minder dan een tiende van de dikte van de fotovoltaïsche laag in de huidige zonnecellen.

Cui, die zo'n experimenteel materiaal heeft gemaakt, laat een filmpje zien van het klappen van dit dunne silicium als een stuk papier en het knippen met een schaar (zie aparte video's; klappen /boven/ en knippen /onder/). Die dunne siliciumstrips bevatten enkele van de fotonenvangende nanostructuren die worden beschreven in de Natuurmaterialen artikel. Cui zegt dat de licht-naar-energie conversie-efficiëntie van dun silicium die van het stijve silicium in de huidige zonnecellen benadert.

Fladderend silicium is niet alleen een wetenschappelijk project. Een dergelijke flexibiliteit zou vruchten afwerpen als het gaat om installatie, wat goed is voor ongeveer een derde van de totale kosten van een zonnepaneel op het dak. "Deze dunne siliciumcellen kunnen worden ingebed in flexibel plastic, het maken van installatie als het uitrollen van een tapijt, ' zei Cui.

Maar zelfs als onderzoekers erin slagen meer uit minder te halen, volgens Fan zijn er nog veel hindernissen, die computermodellen ontwikkelt om te bestuderen hoe verschillende nanostructuren en materialen foton-elektron-interacties zullen beïnvloeden.

"Er zijn oneindig veel structuren, dus het is niet mogelijk om ze allemaal te modelleren, " hij zei, zinspelend op wat hij de 'theoretische knelpunten' noemde die het wetenschappelijk begrip van dit etherische rijk, waar licht en materie elkaar kruisen, in de weg staan.

"Bijvoorbeeld, direct, we hebben echt geen manier om te weten wanneer we het meeste uit onze fotonen hebben gehaald, ' zei Fan.