211service.com
Efficiënte dunne-film zonnecellen
Onderzoekers van het MIT hebben een nieuw type siliciumzonnecel onthuld die veel efficiënter zou kunnen zijn en minder zou kosten dan de momenteel gebruikte zonnecellen. Hoogleraar materiaalkunde en techniek Lionel Kimerling en zijn collega's presenteerden de resultaten van het eerste prototype van het apparaat tijdens een recente bijeenkomst van de Materials Research Society in Boston.
Lichtvanger: een transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-afbeelding toont het achteroppervlak van een vijf micrometer dikke siliciumzonnecel. De afwisselende lagen van silicium en siliciumdioxide vormen een uitstekende lichtreflector. De toppen en dalen sturen het gereflecteerde licht onder een lage hoek het silicium in, waardoor het lange tijd in het silicium blijft zitten, wat de efficiëntie van de cel verhoogt.
Het ontwerp combineert een zeer effectieve reflector aan de achterkant van een zonnecel met een antireflectiecoating aan de voorkant. Dit helpt om rood en nabij-infrarood licht op te vangen, dat kan worden gebruikt om elektriciteit te maken, in het silicium. Het onderzoeksteam geeft een licentie voor vergelijkbare technologie aan: StarSolar , een startup in Cambridge, MA.
De onderzoekers pasten hun lichtvangende schema toe op dunne siliciumcellen van ongeveer vijf micrometer dik. Hun prototype zonnecel is 15 procent efficiënter in het omzetten van licht in elektriciteit dan commerciële dunne-film zonnecellen. Projectleider Peter Bermel , die de chief technology officer van StarSolar is, zegt dat geavanceerde computersimulaties suggereren dat veel grotere efficiëntiewinsten mogelijk zijn.
Dunne-film silicium zonnecellen kunnen goedkoper zijn dan conventionele apparaten omdat ze veel minder materiaal gebruiken. Conventionele zonnecellen gebruiken siliciumwafels die meer dan 100 micrometer dik zijn, terwijl dunnefilmapparaten een dikte hebben van enkele micrometers. Maar dunne-filmapparaten hebben een lager rendement. Dit komt voornamelijk door de rode en nabij-infrarode fotonen, die niet lang genoeg in het dunne silicium blijven om geabsorbeerd te worden.
De zonnecellen van tegenwoordig worden ondersteund door een metalen laag, meestal aluminium, om licht te weerkaatsen. Maar dit schema werkt niet erg goed, en van het licht in de siliciumzonnecel gaat dertig procent verloren elke keer dat het van het metaal weerkaatst.
In plaats van een metalen achterkant te gebruiken, hebben de MIT-onderzoekers het achteroppervlak van een siliciumzonnecel ontworpen om het efficiënt te maken bij het reflecteren en vangen van licht. Eerst etsen ze een reeks richels en dalen, een rooster genaamd. Daarbovenop zetten ze een fotonisch kristal af - een periodieke structuur die bestaat uit meerdere afwisselende lagen silicium en siliciumdioxide.
Het fotonische kristal reflecteert licht, terwijl het rooster dit licht onder een lage hoek terug het silicium in stuurt. Zo blijft het licht naar binnen kaatsen en kan het niet ontsnappen. Hoe langer het licht erin blijft, hoe groter de kans dat het wordt geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit.
Dit werk toont het belang aan van het verbeteren van de prestaties van dunnefilmtechnologieën, zegt Stephen Saylor, CEO van SiOnyx in Beverly, Massachusetts. SiOnyx kiest voor een andere benadering om de absorptie van rood en infrarood licht in dunne siliciumapparaten te vergroten. Het zwarte siliconenmateriaal van het bedrijf heeft een oppervlak met een ruwheid op nanoschaal dat helpt om al het zichtbare en infrarode licht te absorberen. Het potentieel van het materiaal voor zonnecellen is nog niet aangetoond.
Ondertussen, in het Ames Laboratory in Ames, IA, natuurkundige Rana Biswas en zijn collega's gebruiken fotonische kristallen om zonnecellen van amorf silicium efficiënter te maken. Hun fotonische kristal is samengesteld uit een rooster van kleine siliciumcilinders in een indium-tin-oxidelaag. Het zou het rendement van de zonnecellen met maximaal 15 procent kunnen verhogen. Maar hun zonnecellen van amorf silicium zijn slechts 0,5 micrometer dik, een tiende van de grootte van de MIT-apparaten. Over het algemeen hebben zonnecellen met amorfe siliciumfilm veel minder materiaal nodig, dus de kosten dalen, zegt Biswas. Bovendien kunnen ze op plastic worden gedeponeerd. Dat is een groot pluspunt.
De MIT-onderzoekers willen dunne-film silicium zonnecellen maken die goed genoeg zijn om te concurreren met conventionele zonnecellen, zegt Bermel. Door de fotonische kristal- en roosterstructuren te optimaliseren, konden de onderzoekers het maximale rendement uit de zonnecellen persen, tot 13 procent. Dat zou vergelijkbaar zijn met de efficiëntie van 13 tot 15 procent van sommige conventionele zonnecellen.
De zonnecellen zijn op dit moment verre van praktisch. De onderzoekers gebruiken een dure techniek genaamd interferentielithografie om het rooster te maken. Verder worden de afwisselende lagen in de reflector één voor één gedeponeerd, wat tijdrovend is. De onderzoekers moeten een fabricagetechniek vinden waarmee ze de zonnecellen op grote schaal en tegen lage kosten kunnen maken. De ultieme vraag die moet worden beantwoord, is schaalbaarheid, zegt Saylor. Om een echte impact te hebben, moet elke oplossing kosteneffectief kunnen worden opgeschaald naar massaproductie.
Bermel zegt dat zijn team al andere productiemethoden overweegt. Een veelbelovende optie is nanoimprint-lithografie, maar ze hebben het nog niet geprobeerd. In simulaties wordt een efficiëntieverbetering van 35 procent duidelijk voorspeld, zegt hij, maar de uitdaging is: 'Kun je het praktisch maken?' Daar werken we aan.