Een zonnecel is eigenlijk een halfgeleider, die zonlicht omzet in elektriciteit, ingeklemd tussen metalen contacten die de elektrische stroom voeren.

Maar dit veelgebruikte ontwerp heeft een fout:het glanzende metaal bovenop de cel weerkaatst eigenlijk zonlicht weg van de halfgeleider waar elektriciteit wordt geproduceerd, de efficiëntie van de cel verminderen.

Nutsvoorzieningen, Wetenschappers van Stanford University hebben ontdekt hoe ze het reflecterende bovenste contact en trechterlicht rechtstreeks naar de halfgeleider eronder kunnen verbergen. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , zou kunnen leiden tot een nieuw paradigma in het ontwerp en de fabricage van zonnecellen.

"Met behulp van nanotechnologie we hebben een nieuwe manier ontwikkeld om het bovenste metalen contact bijna onzichtbaar te maken voor invallend licht, " zei hoofdauteur Vijay Narasimhan, die het werk uitvoerde als een afgestudeerde student aan Stanford. "Onze nieuwe techniek zou de efficiëntie aanzienlijk kunnen verbeteren en daarmee de kosten van zonnecellen verlagen."

Spiegelachtig metaal

In de meeste zonnecellen, het bovenste contact bestaat uit een metalen draadrooster dat elektriciteit van of naar het apparaat transporteert. Maar deze draden voorkomen ook dat zonlicht de halfgeleider bereikt, die meestal van silicium is gemaakt.

"Hoe meer metaal je aan de oppervlakte hebt, hoe meer licht je blokkeert, " zei co-auteur Yi Cui, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering. "Dat licht gaat dan verloren en kan niet worden omgezet in elektriciteit."

metalen contacten, daarom, "geconfronteerd met een schijnbaar onverenigbare afweging tussen elektrische geleidbaarheid en optische transparantie, " Narasimhan toegevoegd. "Maar de nanostructuur die we hebben gemaakt elimineert die afweging."

Voor de studie, het Stanford-team plaatste een 16 nanometer dikke film van goud op een vlakke plaat van silicium. De gouden film was bezaaid met een reeks vierkante gaten van nanoformaat, maar voor het oog het oppervlak zag eruit als een glanzend, gouden spiegel.

Optische analyse onthulde dat de geperforeerde goudfilm 65 procent van het siliciumoppervlak bedekte en weerkaatste, gemiddeld, 50 procent van het invallende licht. De wetenschappers redeneerden dat als ze de reflecterende goudfilm op de een of andere manier konden verbergen, meer licht zou de siliciumhalfgeleider eronder bereiken.

Silicium nanopilaren

De oplossing:maak pilaren van silicium van nanoformaat die boven de goudfilm "torenen" en het zonlicht omleiden voordat het het metalen oppervlak raakt.

Het maken van silicium nanopilaren bleek een chemisch proces in één stap te zijn.

"We hebben het silicium en de geperforeerde goudfilm samen ondergedompeld in een oplossing van fluorwaterstofzuur en waterstofperoxide, " zei afgestudeerde student en co-auteur Thomas Hymel. "De goudfilm begon onmiddellijk in het siliciumsubstraat te zinken, en silicium nanopilaren begonnen op te duiken door de gaten in de film."

Binnen enkele seconden, de siliciumpilaren groeiden tot een hoogte van 330 nanometer, transformeert het glanzende gouden oppervlak naar een donkerrood. Deze dramatische kleurverandering was een duidelijke aanwijzing dat het metaal geen licht meer weerkaatste.

"Zodra de silicium nanopilaren begonnen te ontstaan, ze begonnen licht rond het metalen rooster te leiden en in het siliciumsubstraat eronder, ' legde Narasimhan uit.

Hij vergeleek de nanopillar-array met een vergiet in je aanrecht. "Als je de kraan opendraait, niet al het water komt door de gaten in het vergiet, "zei hij. "Maar als je een kleine trechter op elk gaatje zou plaatsen, het meeste water zou er zonder problemen doorheen stromen. Dat is in wezen wat onze structuur doet:de nanopilaren fungeren als trechters die licht opvangen en het door de gaten in het metalen rooster in het siliciumsubstraat leiden."

Grote boost

Het onderzoeksteam optimaliseerde vervolgens het ontwerp door een reeks simulaties en experimenten.

"Zonnecellen worden meestal overschaduwd door metalen draden die 5 tot 10 procent van het bovenoppervlak bedekken, " zei Narasimhan. "In ons beste ontwerp, bijna tweederde van het oppervlak kan worden bedekt met metaal, toch is het reflectieverlies slechts 3 procent. Het hebben van zoveel metaal zou de geleidbaarheid kunnen verhogen en de cel veel efficiënter kunnen maken in het omzetten van licht in elektriciteit."

Bijvoorbeeld, deze technologie zou de efficiëntie van een conventionele zonnecel kunnen verhogen van 20 procent naar 22 procent, een aanzienlijke stijging, hij zei.

Het onderzoeksteam is van plan het ontwerp te testen op een werkende zonnecel en de prestaties ervan in reële omstandigheden te beoordelen.

geheime contacten

Naast goud, de nanopijlerarchitectuur zal ook werken met contacten van zilver, platina, nikkel en andere metalen, zei afgestudeerde student en co-auteur Ruby Lai.

"We noemen ze geheime contacten, omdat het metaal zich verbergt in de schaduwen van de silicium nanopilaren, "zei ze. "Het maakt niet uit wat voor soort metaal je erin stopt. Het zal bijna onzichtbaar zijn voor invallend licht."

Naast silicium, deze nieuwe technologie kan worden gebruikt met andere halfgeleidende materialen voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief fotosensoren, lichtgevende diodes en displays, transparante batterijen, evenals zonnecellen.

"Bij de meeste opto-elektronische apparaten je bouwt meestal de halfgeleider en de metalen contacten afzonderlijk, " zei Cui, co-directeur van het Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC) van het Department of Energy. "Onze resultaten suggereren een nieuw paradigma waarin deze componenten samen worden ontworpen en gefabriceerd om een ​​hoogwaardige interface te creëren."