Nyckeln till bättre solceller: ojämna speglar

Färgsensibiliserade tunnfilmssolceller är billigare att tillverka än konventionella kiselceller, men de är fortfarande relativt ineffektiva.

Nanodomes: En uppsättning kvartskupoler 600 nanometer breda och 200 nanometer höga (överst) pressas in i en tunn titandioxidfilm för att trycka in hål i filmen (botten). Att fylla hålen med silver hjälper till att fånga mer ljus inuti färgämnesbaserade solceller.

Nu har forskare vid Stanford University använt en specialdesignad metallreflektor för att öka effektiviteten hos solceller som är sensibiliserade med fast elektrolytfärg med så mycket som 20 procent. Reflektorn är en tunn silverfilm med en mängd nanoskala gupp. Forskarna använder filmen för att täcka cellernas baksida; filmen hjälper till att fånga mer ljus inuti cellerna. Vi får cirka 5 till 20 procent mer absorption beroende på färgämnet, säger Michael McGehee , chef för Center for Advanced Molecular Photovoltaics i Stanford. McGehee ledde forskningen, som publicerades online denna vecka i tidskriften Avancerade energimaterial .

Färgsensibiliserade tunnfilmsceller med en ljus-till-elektricitetskonverteringseffektivitet på cirka 11 procent gjorde nyligen sin kommersiella debut. Däremot använder de flytande elektrolyter som är flyktiga och kan läcka. Celler med fasta elektrolyter har endast visat verkningsgrader på cirka 5 procent.

De tog den bästa fasta färgcellen de kunde och gjorde den bättre, säger de David Ginger , en kemiprofessor vid University of Washington, av Stanford-forskarna. Ännu bättre, de gjorde det med hjälp av teknik och metoder som potentiellt skulle kunna användas i en produktionsmiljö.

Färgämnesbaserade solceller är sammansatta av halvledarnanokristaller (typiskt titandioxid eller titandioxid) som är belagda med färgämnesmolekyler och inklämda - tillsammans med en elektrolyt - mellan glas- eller plastskivor. Färgen absorberar ljus och skapar elektroner och positivt laddade hål. Kristallerna överför elektronerna till en elektrod för att producera en elektrisk ström, medan elektrolyten bär hålen till den andra elektroden.

Fasta elektrolyter är dock inte lika effektiva som flytande, och elektronerna och hålen rekombineras lättare. För att förhindra det är titanoxidskiktet mycket tunt - vanligtvis två mikrometer. Men ju tunnare cellerna är, desto snabbare passerar ljuset genom dem utan att absorberas. Forskningsinsatser för att förbättra effektiviteten hos dessa celler har vanligtvis fokuserat på att utveckla starkare färgämnen och nya typer av nanokristaller. Men McGehee och hans kollegor använde plasmoniska reflektorer för att förbättra sin cells effektivitet.

Plasmoner är oscillationer av elektroner vid en metallyta när de exciteras av ljus. Genom att styra ytans form kan du styra vilken typ av plasmoner som skapas, vilket i sin tur påverkar hur ljuset interagerar med materialet.

Reflektorn tillverkad på Stanford har stötar som skapar plasmoner, som vänder en del av de inkommande ljusstrålarna 90 grader. Så istället för att studsa av silvret och gå tillbaka ut ur cellen, sprids mer ljus fram och tillbaka inuti cellen, vilket ger färgen längre tid att absorbera det.

Forskarna tillverkade sina enheter genom att belägga glas med en genomskinlig ledande elektrod på vilken de avsatte ett lager av titananopartiklar. Sedan tog de en kvartsbit täckt med 600 nanometer breda kupoler och tryckte in den i titaniumoxiden och präglade den effektivt med små hål. Slutligen lade de till lager av färg och silver.

Det här är första gången som plasmoniska strukturer har applicerats på solceller som är sensibiliserade med färgämnen i fast tillstånd, med en avsevärd ökning av celleffektiviteten rapporteras, säger Kylie Catchpole , en forskare vid Australian National University. Catchpole använder ljusfångande plasmonik för att öka effektiviteten hos andra typer av tunnfilmssolceller.

Det återstår mycket arbete innan tekniken kommer ut på marknaden, säger vi Martin Green , som arbetar med ljusfångande solceller vid University of New South Wales. Green säger att färgsensibiliserade celler har väckt enormt intresse från det akademiska samfundet, men de har haft [liten] kommersiell inverkan på grund av låg effektivitet och tveksam hållbarhet, jämfört med kommersiella celler. Flytande elektrolytceller har tagit sig in på marknaden, men Green är också skeptisk till deras framtidsutsikter.

McGehee är dock övertygad om att tillräckligt hög effektivitet kommer att vara möjlig. Forskarna tittar nu på att skapa reflektorer med bulor i olika storlekar, höjder, avstånd och mönster. Genom att justera dessa faktorer bör de kunna öka mängden ljus som cellerna absorberar. De kunde också utforska olika färgämnen. Det verkar definitivt finnas en tydlig väg för att ta upp effektiviteten över 20 procent, säger han.

Dölj