Celulele solare ultra-subțiri pot absorbi lumina soarelui mai eficient decât celulele de siliciu mai groase și mai scumpe utilizate astăzi, deoarece lumina se comportă diferit la scări în jurul unui nanometru (o miliardime de metru), spun inginerii Stanford. Ei calculează că, prin configurarea corespunzătoare a grosimilor mai multor straturi subțiri de filme, un film subțire de polimer organic ar putea absorbi de 10 ori mai multă energie din lumina soarelui decât se credea posibil.

solare

De Louis Bergeron

Studentul absolvent Aaswath Raman, profesor asociat Shanhui Fan și colegul post-doctoral Zongfu Yu au calculat că celulele fotovoltaice construite cu nanotehnologie au potențialul de a genera mult mai multă electricitate decât celulele existente.

În lumea liniștită, albă, potrivită pentru iepure, a plăcilor de siliciu și a celulelor solare, se dovedește că puțină rugozitate poate parcurge un drum lung, poate chiar până la transformarea energiei solare într-o sursă de energie accesibilă, spun inginerii Stanford.

Cercetările lor arată că lumina care ricoșează în interiorul filmului de polimer al unei celule solare se comportă diferit atunci când filmul este ultra subțire. Un film subțire la nano-scară și care a fost asprat puțin poate absorbi de peste 10 ori energia prezisă de teoria convențională.

Cheia pentru depășirea limitei teoretice constă în menținerea soarelui în strânsoarea celulei solare suficient de mult timp pentru a stoarce cantitatea maximă de energie din aceasta, folosind o tehnică numită „captarea luminii”. Este la fel ca și când ai folosi hamsteri care aleargă pe roți mici pentru a-ți genera electricitatea - ai vrea ca fiecare hamster să înregistreze cât mai multe mile înainte ca acesta să sară și să fugă.

„Cu cât un foton de lumină este mai lung în celula solară, cu atât sunt mai mari șansele ca fotonul să se absoarbă”, a spus Shanhui Fan, profesor asociat de inginerie electrică. Eficiența cu care un anumit material absoarbe lumina soarelui este extrem de importantă în determinarea eficienței globale a conversiei energiei solare. Fan este autor principal al unei lucrări care descrie lucrarea publicată online săptămâna aceasta de Proceedings of the National Academy of Sciences.

Captarea luminii a fost utilizată de câteva decenii cu celulele solare din siliciu și se realizează prin asprirea suprafeței siliciului pentru a face ca lumina primită să sară în interiorul celulei pentru o vreme după ce a pătruns, mai degrabă decât să se reflecte drept înapoi oglindă. Dar, de-a lungul anilor, indiferent de cât de mult s-au jucat cercetătorii cu tehnica, nu au putut spori eficiența celulelor tipice de siliciu „la macroscală” dincolo de o anumită cantitate.

Această diagramă schematică a unei celule solare organice cu film subțire arată stratul superior, un strat de împrăștiere modelat, aspru, în verde. Stratul organic de peliculă subțire, prezentat în roșu, este locul în care lumina este prinsă și se generează curent electric. Filmul este intercalat între două straturi care ajută la menținerea luminii conținute în filmul subțire.

În cele din urmă, oamenii de știință și-au dat seama că există o limită fizică legată de viteza cu care se deplasează lumina într-un anumit material.

Dar lumina are o natură duală, uneori comportându-se ca o particulă solidă (un foton) și alteori ca un val de energie, iar Fan și cercetătorul postdoctoral Zongfu Yu au decis să exploreze dacă limita convențională a captării luminii se menține adevărată într-un cadru la scară nano. Yu este autorul principal al lucrării PNAS.

"Cu toții obișnuiam să ne gândim la lumină ca la o linie dreaptă", a spus Fan. „De exemplu, o rază de lumină lovește o oglindă, ea ricoșează și vezi o altă rază de lumină. Acesta este modul tipic în care ne gândim la lumină în lumea macroscopică.

"Dar dacă coborâți la nanoscalele care ne interesează, cu sute de milionimi de milimetru la scară, se dovedește că caracteristica undei devine cu adevărat importantă".

Lumina vizibilă are lungimi de undă în jur de 400 până la 700 nanometri (miliardimi de metru), dar chiar și la scară mică, a spus Fan, multe dintre structurile analizate de Yu aveau o limită teoretică comparabilă cu limita convențională dovedită prin experiment.

„Una dintre surprizele acestei lucrări a fost descoperirea cât de robustă este limita convențională”, a spus Fan.

Abia atunci când Yu a început să investigheze comportamentul luminii în interiorul unui material cu o scară de lungime de undă profundă - substanțial mai mică decât lungimea de undă a luminii - a devenit evident pentru el că lumina poate fi limitată mai mult timp, crescând absorbția de energie dincolo de cea convențională. limită la macroscală.

"Cantitatea de beneficii ale confinării la scară nanomatică pe care am arătat-o ​​aici este cu adevărat surprinzătoare", a spus Yu. „Depășirea limitei convenționale deschide o nouă ușă către proiectarea celulelor solare extrem de eficiente.”

Yu a determinat prin simulări numerice că cea mai eficientă structură pentru valorificarea beneficiilor confinării la scară nano a fost o combinație de mai multe tipuri diferite de straturi în jurul unei pelicule organice subțiri.

El a introdus pelicula organică subțire între două straturi de material - numite straturi de „acoperire” - care au acționat ca straturi de confinare odată ce lumina a trecut prin cea superioară în pelicula subțire. Deasupra stratului superior de placare, a așezat un strat cu suprafață aspră modelat conceput pentru a trimite lumina de intrare în direcții diferite în timp ce pătrundea în pelicula subțire.

Prin variația parametrilor diferitelor straturi, el a reușit să obțină o creștere de 12 ori a absorbției luminii în filmul subțire, comparativ cu limita macroscală.

Celulele solare la scară nanostatică oferă economii în costurile materialelor, deoarece filmele subțiri din polimeri organici și alte materiale utilizate sunt mai puțin costisitoare decât siliciu și, fiind la scară nano, cantitățile necesare pentru celule sunt mult mai mici.

Materialele organice au, de asemenea, avantajul de a fi fabricate în reacții chimice în soluție, mai degrabă decât necesitatea prelucrării la temperatură ridicată sau în vid, așa cum este necesar pentru fabricarea siliciului.

"Cea mai mare parte a cercetărilor din aceste zile analizează multe tipuri diferite de materiale pentru celulele solare", a spus Fan. "Unde acest lucru va avea un impact mai mare este în unele dintre tehnologiile emergente; de ​​exemplu, în celulele organice."

"Dacă o faci bine, există un potențial enorm asociat cu aceasta", a spus Fan.

Aaswath Raman, student absolvent în fizică aplicată, a lucrat, de asemenea, la cercetare și este coautor al lucrării.

Proiectul a fost sprijinit de finanțare de la Universitatea de Știință și Tehnologie King Abdullah, care sprijină Centrul pentru Fotovoltaică Moleculară Avansată din Stanford și de către S.U.A. Departamentul Energiei.

Contact media

Louis Bergeron, Serviciul de știri Stanford: (650) 725-1944, [e-mail protejat]