Betere dunnefilm zonnecel dankzij nanopilaren

Wetenschappers van het A-Star Institute of Microelectronics in Singapore, hebben een manier gevonden om dunnefilm zonnecellen zo te ontwerpen dat het rendement hiervan flink toeneemt. Dankzij een oppervlaktestructuur bestaande uit ‘nanopilaren’, worden productiekosten geminimaliseerd en lichtopname gemaximaliseerd.

Silicium is ruimschoots beschikbaar en makkelijk te verwerken. Daarnaast is het zeer stabiel en niet-giftig. Het is ook een van de beste grondstoffen voor het vervaardigen van zonnecellen. Maar door de hoge eisen die worden gesteld aan de kwaliteit en zuiverheid van silicium als basismateriaal voor zonnecellen met een hoog rendement  maken het lastig om productiekosten daarrvan te verlagen. 

Oppervlaktestructuur

Eén manier die kosten zou kunnen terugbrengen is door gebruik te maken van een microscopisch dunne film van silicium, met een opppervlaktestructuur om zo lichtopname te verbeteren. Normaliter bieden dunne-film zonnecellen maar ongeveer de helft van het rendement van een reguliere zonnecel.

De onderzoekers in Singapore, waaronder Navab Singh, hebben verschillende factoren bestudeerd die van invloed zijn op het conversierendement van dunnefilm-cellen met een oppervlaktestructuur. Ze ontwikkelden een structuur met 'nanopilaartjes' waarbij de lichtabsorptie wordt gemaximaliseerd, tegen geminimaliseerde productiekosten.  Factoren die hierbij werden onderzocht waren de diameter en lengte van de nanopilaren, alsmede de ruimte tussen de afzonderlijke nanopilaren. Ook belangrijk is het ontwerp van de positief en negatief geladen lagen in de zonnecel.

Dunne lagen

Simulaties toonden aan dat de negatief geladen laag aan de buitenzijde van de pilaren zo dun mogelijk moet zijn ter voorkoming van parasitaire absorptie - de vernietiging van de door licht gegeneerde ladingdragers voordat zij de junctie tussen de lagen passeren en kunnen bijdragen aan het elektrisch vermogen.

Ook ontdekten de wetenschappers dat een axiaal ontwerp waarbij de junctie tussen positieve en negatieve lagen wordt beperkt tot de top van de nanopilaren, leidt tot een hogere foto-elektrische open spanning dan bij ontwerpen, waarbij de negatieve laag om de gehele pilaar gewikkeld zit. Het omgekeerde bleek het geval voor de open-circuit stroom. 

Balans

Singh en zijn collega's tonen aan dat een balans tussen al deze factoren nodig is om dunnefilm zonnecellen zo te ontwerpen dat ze een zo hoog mogelijk rendement halen. Uiteindelijk moet het mogelijk worden om dunnefilm zonnecellen te ontwerpen die net zo efficiënt werken als hun duurdere en grotere  monokristallijne broers.

bron: PhysOrg.com