211service.com
Effektive tyndfilmssolceller
Forskere ved MIT har løftet sløret for en ny type siliciumsolcelle, der kunne være meget mere effektiv og koste mindre end i øjeblikket brugte solceller. Professor i materialevidenskab og teknik Lionel Kimerling og hans kolleger præsenterede resultaterne af den første enhedsprototype på et nyligt møde i Materials Research Society i Boston.
Lysfanger: Et transmissionselektronmikroskopi (TEM) billede viser bagsiden af en fem mikrometer tyk siliciumsolcelle. De vekslende lag af silicium og siliciumdioxid danner en fremragende lysreflektor. Toppene og trugene sender det reflekterede lys ind i siliciumet i en lav vinkel, der holder det fanget inde i siliciumet i lang tid, hvilket øger cellens effektivitet.
Designet kombinerer en yderst effektiv reflektor på bagsiden af en solcelle med en antireflekterende belægning på fronten. Dette hjælper med at fange rødt og nær-infrarødt lys, som kan bruges til at lave elektricitet, i silicium. Forskerholdet licenserer lignende teknologi til StarSolar , en startup i Cambridge, MA.
Forskerne anvendte deres lysindfangningsskema på tynde siliciumceller, der er omkring fem mikrometer tykke. Deres prototype solcelle er 15 procent mere effektiv til at omdanne lys til elektricitet end kommercielle tyndfilmssolceller. Projektleder Peter Bermel , som er StarSolars teknologichef, siger, at sofistikerede computersimuleringer tyder på, at meget større effektivitetsgevinster er mulige.
Tyndfilmssiliciumsolceller kunne være billigere end konventionelle enheder, fordi de bruger langt mindre materiale. Konventionelle solceller bruger siliciumskiver, der er over 100 mikrometer tykke, mens tyndfilmsenheder har tykkelser på nogle få mikrometer. Men tyndfilmsenheder lider under lavere effektivitet. Dette er hovedsageligt på grund af de røde og nær-infrarøde fotoner, som ikke forbliver fanget inde i det tynde silicium længe nok til at blive absorberet.
Nutidens solceller er baget med et metallag, typisk aluminium, for at reflektere lys. Men denne ordning fungerer ikke særlig godt, og af lyset inde i siliciumsolcellen går tredive procent tabt, hver gang den preller af metallet.
I stedet for at bruge en metalbagside konstruerer MIT-forskerne bagsiden af en siliciumsolcelle for at gøre den effektiv til at reflektere og fange lys. Først ætser de en række kamme og trug, kaldet et gitter. Oven i dette afsætter de en fotonisk krystal - en periodisk struktur, der består af flere vekslende lag af silicium og siliciumdioxid.
Den fotoniske krystal reflekterer lys, mens gitteret sender dette lys tilbage i silicium i en lav vinkel. Dette holder lyset til at hoppe rundt indeni og forhindrer det i at slippe ud. Jo længere lyset bliver i, jo mere sandsynligt vil det blive absorberet og omdannet til elektricitet.
Dette arbejde viser vigtigheden af at forbedre ydeevnen af tyndfilmsteknologier, siger Stephen Saylor, CEO for SiOnyx i Beverly, MA. SiOnyx tager en anden tilgang til at øge absorptionen af rødt og infrarødt lys i tynde siliciumenheder. Virksomhedens sorte siliciummateriale har en overflade med nanoskala ruhed, der hjælper det med at absorbere alt synligt og infrarødt lys. Materialets potentiale for solceller er endnu ikke påvist.
I mellemtiden, på Ames Laboratory i Ames, IA, fysiker Rana Biswas og hans kolleger bruger fotoniske krystaller til at gøre amorfe siliciumsolceller mere effektive. Deres fotoniske krystal er sammensat af et gitter af bittesmå siliciumcylindre inde i et indium-tin-oxidlag. Det kan højst øge solcellernes effektivitet med 15 procent. Men deres amorfe siliciumsolceller er kun 0,5 mikrometer tykke, en tiendedel af størrelsen på MIT-enhederne. Generelt kræver amorfe siliciumfilm-solceller meget mindre materiale, så omkostningerne falder, siger Biswas. Plus at de kunne aflejres på plastik. Det er et stort plus.
MIT-forskerne sigter mod at lave tyndfilmssiliciumsolceller, der er gode nok til at konkurrere med konventionelle solceller, siger Bermel. Ved at optimere de fotoniske krystal- og gitterstrukturer kunne forskerne presse den maksimale effektivitet ud af solcellerne og øge den til 13 procent. Det ville være sammenligneligt med 13- til 15-procent effektiviteten af nogle konventionelle solceller.
Solcellerne er langt fra praktiske lige nu. Forskerne bruger en dyr teknik kaldet interferenslitografi til at lave gitteret. Ydermere aflejres de vekslende lag i reflektoren et efter et, hvilket er tidskrævende. Forskerne skal finde en fremstillingsteknik, der giver dem mulighed for at lave solcellerne i stor skala og til lave omkostninger. Det ultimative spørgsmål, der skal besvares, er skalerbarhed, siger Saylor. For at have en reel effekt skal enhver løsning skaleres omkostningseffektivt til masseproduktion.
Bermel siger, at hans team allerede overvejer andre produktionsmetoder. En lovende mulighed er nanoimprint litografi, men de har ikke prøvet det endnu. En effektivitetsforøgelse på 35 procent forudsiges klart i simuleringer, siger han, men udfordringen er: ’Kan du klare det praktisk?’ Det er det, vi arbejder på.