Effektiva tunnfilmssolceller

Forskare vid MIT har avslöjat en ny typ av kiselsolcell som kan vara mycket effektivare och kosta mindre än för närvarande använda solceller. Professor i materialvetenskap och teknik Lionel kimerling och hans kollegor presenterade resultaten av den första enhetsprototypen vid ett nyligen genomfört möte med Materials Research Society i Boston.

Ljusfångare: En bild med transmissionselektronmikroskopi (TEM) visar baksidan av en fem mikrometer tjock kiselsolcell. De omväxlande lagren av kisel och kiseldioxid bildar en utmärkt ljusreflektor. Topparna och dalarna skickar det reflekterade ljuset in i kislet i en låg vinkel som håller det instängt inuti kislet under lång tid, vilket ökar cellens effektivitet.

Designen kombinerar en mycket effektiv reflektor på baksidan av en solcell med en antireflekterande beläggning på framsidan. Detta hjälper till att fånga rött och nära-infrarött ljus, som kan användas för att göra elektricitet, i kislet. Forskargruppen licensierar liknande teknik till StarSolar , en startup i Cambridge, MA.

Forskarna tillämpade sitt ljusfångande schema på tunna kiselceller som är cirka fem mikrometer tjocka. Deras prototyp solcell är 15 procent effektivare på att omvandla ljus till elektricitet än kommersiella tunnfilmssolceller. Projektledare Peter Bermel , som är StarSolars tekniska chef, säger att sofistikerade datorsimuleringar tyder på att mycket större effektivitetsvinster är möjliga.

Tunnfilms kiselsolceller kan vara billigare än konventionella enheter eftersom de använder mycket mindre material. Konventionella solceller använder kiselwafers som är över 100 mikrometer tjocka, medan tunnfilmsenheter har en tjocklek på några mikrometer. Men tunnfilmsenheter lider av lägre effektivitet. Detta beror främst på de röda och nära-infraröda fotonerna, som inte förblir instängda i det tunna kislet tillräckligt länge för att absorberas.

Dagens solceller har ett metallskikt, vanligtvis aluminium, för att reflektera ljus. Men det här schemat fungerar inte särskilt bra, och av ljuset inuti kiselsolcellen försvinner trettio procent varje gång den studsar av metallen.

Istället för att använda en metallbaksida, konstruerar MIT-forskarna baksidan av en kiselsolcell för att göra den effektiv för att reflektera och fånga ljus. Först etsar de en serie åsar och dalar, kallade galler. Utöver detta avsätter de en fotonisk kristall - en periodisk struktur som består av flera alternerande lager av kisel och kiseldioxid.

Den fotoniska kristallen reflekterar ljus, medan gittret skickar detta ljus tillbaka in i kislet i en låg vinkel. Detta gör att ljuset studsar runt inuti och förhindrar att det strömmar ut. Ju längre ljuset stannar i, desto mer sannolikt kommer det att absorberas och omvandlas till elektricitet.

Detta arbete visar vikten av att förbättra prestandan hos tunnfilmsteknologier, säger Stephen Saylor, VD för SiOnyx i Beverly, MA. SiOnyx tar ett annat tillvägagångssätt för att öka absorptionen av rött och infrarött ljus i tunna silikonenheter. Företagets svarta silikonmaterial har en yta med nanoskala grovhet som hjälper det att absorbera allt synligt och infrarött ljus. Materialets potential för solceller har inte visats ännu.

Under tiden, på Ames Laboratory i Ames, IA, fysiker Rana Biswas och hans kollegor använder fotoniska kristaller för att göra amorfa kiselsolceller mer effektiva. Deras fotoniska kristall består av ett gitter av små kiselcylindrar inuti ett indium-tennoxidskikt. Det skulle kunna öka effektiviteten på solcellerna med max 15 procent. Men deras amorfa kiselsolceller är bara 0,5 mikrometer tjocka, en tiondel av storleken på MIT-enheterna. I allmänhet behöver amorfa kiselfilmsolceller mycket mindre material, så kostnaden går ner, säger Biswas. Plus att de kan deponeras på plast. Det är ett stort plus.

MIT-forskarna siktar på att göra tunnfilmssilikonsolceller som är tillräckligt bra för att konkurrera med konventionella solceller, säger Bermel. Genom att optimera de fotoniska kristallerna och gitterstrukturerna kunde forskarna pressa ut den maximala effektiviteten ur solcellerna och öka den till 13 procent. Det skulle vara jämförbart med effektiviteten på 13 till 15 procent för vissa konventionella solceller.

Solcellerna är långt ifrån praktiska just nu. Forskarna använder en dyr teknik som kallas interferenslitografi för att göra gallret. Dessutom deponeras de omväxlande lagren i reflektorn ett efter ett, vilket är tidskrävande. Forskarna behöver hitta en tillverkningsteknik som gör att de kan tillverka solcellerna i stor skala och till låg kostnad. Den ultimata frågan som måste besvaras är skalbarhet, säger Saylor. För att få ett verkligt genomslag måste varje lösning kostnadseffektivt skalas till massproduktion.

Bermel säger att hans team redan överväger andra produktionsmetoder. Ett lovande alternativ är nanoimprint litografi, men de har inte provat det än. En effektivitetsökning på 35 procent förutspås tydligt i simuleringar, säger han, men utmaningen är: ’Kan du klara det praktiskt?’ Det är vad vi jobbar med.

Dölj