211service.com
Silicium minder reflecterend maken
Siliciumzonnecellen reflecteren ongeveer een derde van het licht dat ze mogelijk in elektriciteit zouden kunnen omzetten. Een nieuwe nanogestructureerde coating ontwikkeld door onderzoekers van het Rennselaer Polytechnic Institute (RPI), in Troy, NY, vermindert deze reflecties tot slechts 4 procent. Hoogleraar toegepaste natuurkunde Shawn-Yu Lin en zijn collega's berekenden dat de coating de efficiëntie van een siliciumzonnecel om licht om te zetten in elektriciteit met bijna 43 procent zou kunnen verhogen. Ze presenteerden hun resultaten in een 29 oktober Optica Letters papier.
Geen spiegel: Een 700 nanometer dikke, zevenlaagse antireflectiecoating op een siliciumwafel vermindert de reflectie van zonlicht dat binnenkomt bij bijna alle golflengten en hoeken. De coating zou de efficiëntie van siliciumzonnecellen kunnen verhogen.
De nieuwe coating biedt antireflectie voor zonlicht dat onder bijna alle hoeken en alle zonlichtgolflengten binnenvalt, zegt Lin. Het is een 700 nanometer dikke structuur van verschillende materiaallagen die de onderzoekers kweken op een siliciumwafel. De meerlaagse coating vermindert de reflectie van zichtbare en nabij-infrarode golflengten die silicium kan omzetten in elektriciteit.
Fabrikanten van zonnecellen gebruiken momenteel een dun laagje siliciumnitride om reflectie tegen te gaan. Maar de laag elimineert de reflectie van een zeer smal bereik van golflengten - de dikte bepaalt het bereik. Een ander probleem is dat het alleen goed werkt voor licht dat onder bepaalde hoeken binnenkomt. Siliciumwafels gecoat met siliciumnitride reflecteren bijna 20 procent van het bruikbare licht dat erop valt.
Lin en zijn collega's hadden eerder een soortgelijke coating ontworpen voor aluminiumnitride, dat wordt gebruikt om light-emitting diodes te maken. De nieuwe coating is echter specifiek ontworpen voor silicium, het materiaal dat veel wordt gebruikt in zonnecellen. De coating heeft zeven lagen: de onderste twee zijn gemaakt van titania, de middelste drie van verschillende mengsels van silica en titania en de bovenste twee van schuine staafjes van silica op nanoschaal.
Reflectie op het grensvlak tussen twee materialen, in dit geval lucht en silicium, hangt af van het verschil tussen hun brekingsindexen: het vermogen van het materiaal om licht te buigen. Door het verschil te verkleinen wordt reflectie verminderd. Lucht heeft een brekingsindex van 1, terwijl die van silicium 3,5 is. De onderzoekers gebruiken de lagen om deze kloof op te splitsen in kleinere stappen. De bovenste laag van silica-nanostaafjes heeft een index van 1,09, en naar beneden heeft elke laag een achtereenvolgens grotere index. Door de sequentiële opstelling van de meerlagige nanostructuur kan zonlicht zacht op de zonnecel landen, zegt Lin. Licht buigt geleidelijk meer en meer naarmate het door elke laag gaat, en minder ervan wordt teruggekaatst in de lucht.
De onderzoekers zetten de schuine silica-nanostaafjes neer in de bovenste twee lagen door de wafel schuin te houden. Door de hoeken van de nanostaafjes te regelen, controleren de onderzoekers de porositeit van het materiaal, waardoor lagen met extreem lage brekingsindexen ontstaan.
Lin en zijn groep bij RPI zijn niet de enigen die aan het probleem werken. Peng Jiang , een professor in de chemische technologie aan de Universiteit van Florida, maakt antireflecterende coatings door het oppervlak van silicium te etsen, waardoor een reeks kleine siliciumpilaren ontstaat die minder dan 300 nanometer hoog zijn. Onze beste monsters reflecteren minder dan 1 procent van het licht, dus het oppervlak ziet er helemaal donker uit, zegt Jiang. Zijn werk heeft belangstelling gewekt bij Europese zonnecelfabrikanten en hij richt nu een start-up bedrijf op om de coating op grotere schaal te produceren.
Lin zegt dat de coating de kosten van een zonnecel met een paar procentpunten zou verhogen - niet meer dan de huidige siliciumnitridelagen bijdragen. De onderzoekers zijn nu van plan om robuustere coatings te maken die geschikt zijn voor gebruik met zonnecellen.