Le celle solari al silicio hanno dimostrato di essere una tecnologia fotovoltaica di prim'ordine, poiché utilizzano materie prime abbondanti in terra (cioè Si) e funzionano con un'elevata efficienza. Tuttavia, si basano su wafer spessi, rigidi e pesanti e possono quindi essere installati solo in un numero limitato di posti. Uno dei modi per superare questo svantaggio è utilizzare invece membrane sottili. Ciò ridurrà la quantità di Si di oltre il 99% (risparmiando drasticamente le materie prime) e renderà anche le celle flessibili e leggere. In quanto tali, queste cellule possono essere facilmente integrate negli edifici, nell'architettura urbana e persino nei piccoli gadget di uso quotidiano. Il problema è che membrane di Si così sottili non possono assorbire la luce in modo altrettanto efficiente. In effetti, solo il 25% della luce solare viene assorbita e puoi persino vedere attraverso di esse.

Utilizzando una nuova struttura di nanostrutture dal design razionale, i ricercatori dell'AMOLF, della Surrey University e dell'Imperial College hanno trovato un modo per rendere opache le sottili celle fotovoltaiche e quindi migliorarne l'efficienza. In laboratorio, hanno scoperto che tali membrane sottili strutturate assorbono il 65% della luce solare, che è molto vicino al limite di assorbimento teorico finale di circa il 70%. Questo è il più alto assorbimento di luce mai dimostrato in una membrana Si così sottile ed è, quindi, probabile che nel prossimo futuro verranno sviluppate celle fotovoltaiche Si flessibili, leggere ed efficienti.

Come funziona?

La nanostruttura modellata reindirizza giudiziosamente la luce solare diretta in una gamma di angoli, intrappolando così la luce all'interno della membrana Si. Con la luce intrappolata, ha più possibilità di essere assorbita e lo spessore della membrana aumenta efficacemente per la luce.

Sapendo quali angoli di luce intrappoleranno i fotoni all'interno della membrana di Si, i ricercatori sono in grado di progettare il loro nanopattern basato su uno stato della materia che si trova spesso in natura, dall'ordine dell'universo alla distribuzione dei fotorecettori negli occhi degli uccelli. . Sebbene le distribuzioni e gli schemi iperuniformi appaiano completamente casuali, c'è un certo ordine. In quanto tali, i design iperuniformi combinano il meglio di entrambi i mondi:

• L'ordine consente di guidare giudiziosamente la luce in angoli molto specifici che sono intrappolati nella membrana in base alla periodicità del modello.
• Il disturbo consente di aumentare l'ampiezza degli angoli che possono essere raggiunti con un singolo pattern, con conseguente maggiore assorbimento.

I ricercatori hanno dimostrato che non esiste una soluzione unica, ma piuttosto un'intera famiglia di modelli di modelli iperuniformi che offrono tutti un'elevata flessibilità di progettazione senza compromettere le prestazioni ottiche. Questo è molto importante dal punto di vista dell'implementazione, poiché non tutti i progetti di nanopattern possono essere facilmente realizzati in modo scalabile.

Sfide

Due sfide chiave nell'intrappolare la luce solare in Si sottile sono l'ampia gamma di colori nello spettro solare insieme alle dimensioni limitate della membrana. Dal punto di vista della fotonica, l'ottimizzazione della guida della luce e della cattura di un singolo colore è relativamente semplice e può essere eseguita in modo efficiente utilizzando strutture periodiche. La luce solare, tuttavia, ha molti colori, ognuno dei quali sperimenta un diverso potere di assorbimento in Si.

Le celle solari in Si spesso hanno risolto questo problema irruvidindo la superficie con caratteristiche piramidali di dimensioni simili a quelle delle lunghezze d'onda della luce (cioè fino a 1 µm per la luce rossa, che è inferiore all'1% dello spessore totale del Si). Tuttavia, lo stesso approccio non funzionerà in membrane sottili con uno spessore dell'ordine della lunghezza d'onda della luce. Il team di ricerca ha aggirato questo problema catturando l'ampia gamma di colori, compresi quelli rossi, modellando solo una frazione della superficie della cellula. Tale modello non è applicabile solo al Si sottile, come dimostrato qui, ma anche a qualsiasi altro film sottile che assorbe la luce che necessita di un aiuto aggiuntivo per assorbire la luce.

Applicazione

Il leader del gruppo AMOLF Esther Alarcon Llado afferma che "sulla base delle forti prestazioni di intrappolamento della luce dei nostri modelli, stimiamo che si potrebbero ottenere efficienze fotovoltaiche superiori al 20% per una cella c-Si spessa 1 μm, il che rappresenterebbe una svolta assoluta verso la flessibilità , leggero c-Si PV. Inoltre, gli assorbitori di Si più sottili sono più tolleranti ai difetti elettronici rispetto alle controparti spesse. Ciò significa che le celle di Si sottili ad alta efficienza potrebbero anche essere realizzate con silicio di qualità inferiore, riducendo così il fabbisogno energetico per il Si grezzo purificazione e riducendo i tempi di ritorno energetico."

"Il fotovoltaico sottile con motivi iperuniformi è una tecnologia molto promettente. Anche se c'è ancora molto lavoro da fare per rendere le celle così sottili ad alta efficienza parte del nostro ambiente di vita, questo lavoro ci rende molto ottimisti sul fatto che ciò accadrà presto". + Esplora ulteriormente

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