Questa cella fotovoltaica è composta da 36 array individuali di nanofili di silicio con giunzioni p-n radiali. La dispersione del colore dimostra l'eccellente periodicità su tutto il supporto. (Foto di Peidong Yang)
(PhysOrg.com) -- I ricercatori del Berkeley Lab hanno trovato un modo migliore per intrappolare la luce nelle celle fotovoltaiche attraverso l'uso di array verticali di nanofili di silicio. Ciò potrebbe ridurre sostanzialmente i costi dell'energia elettrica solare riducendo la quantità e la qualità del silicio necessaria per pannelli solari efficienti.
Si prevede che le celle solari realizzate in silicio saranno un fattore importante nelle future equazioni delle energie rinnovabili rinnovabili, ma finora la promessa ha superato di gran lunga la realtà. Mentre ora ci sono pannelli fotovoltaici al silicio in grado di convertire la luce solare in elettricità con un'efficienza impressionante del 20%, il costo di questa energia solare è proibitivo per un uso su larga scala. Ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), però, stanno sviluppando un nuovo approccio che potrebbe ridurre sostanzialmente questi costi. La chiave del loro successo è un modo migliore per intrappolare la luce del sole.
“Attraverso la fabbricazione di film sottili da matrici ordinate di nanofili di silicio verticali siamo stati in grado di aumentare l'intrappolamento della luce nelle nostre celle solari di un fattore 73, "dice il chimico Peidong Yang, che ha condotto questa ricerca. “Poiché la tecnica di fabbricazione alla base di questo straordinario miglioramento dell'intrappolamento della luce è un processo di chimica acquosa relativamente semplice e scalabile, crediamo che il nostro approccio rappresenti un percorso economicamente sostenibile verso l'alta efficienza, celle solari a film sottile a basso costo”.
Yang tiene appuntamenti congiunti con la divisione di scienze dei materiali di Berkeley Lab, e il dipartimento di chimica dell'Università della California Berkeley. È una delle principali autorità sui nanofili semiconduttori:strisce unidimensionali di materiali la cui larghezza misura solo un millesimo di quella di un capello umano, ma la cui lunghezza può estendersi di diversi micron.
“Le tipiche celle solari sono realizzate con wafer di silicio monocristallino ultrapuro molto costosi che richiedono circa 100 micrometri di spessore per assorbire la maggior parte della luce solare, considerando che la nostra geometria radiale ci consente di intrappolare efficacemente la luce con array di nanofili fabbricati da pellicole di silicio che hanno uno spessore di soli otto micrometri, " lui dice. "Per di più, il nostro approccio dovrebbe in linea di principio consentirci di utilizzare silicio di qualità metallurgica o "sporco" piuttosto che i cristalli di silicio ultrapuro ora richiesti, che dovrebbe ridurre ulteriormente i costi”.
Yang ha descritto questa ricerca in un articolo pubblicato sulla rivista Nano lettere , di cui è stato coautore con Erik Garnett, un chimico che era allora membro del gruppo di ricerca di Yang. Il documento è intitolato "Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells".
Una giunzione p-n radiale è costituita da uno strato di silicio di tipo n che forma un guscio attorno a un nucleo di nanofili di silicio di tipo p. Questa geometria trasforma ogni singolo nanofilo in una cella fotovoltaica.
Generazione di elettricità dalla luce solare
Al centro di tutte le celle solari ci sono due strati separati di materiale, uno con un'abbondanza di elettroni che funziona come un polo negativo, e uno con un'abbondanza di lacune elettroniche (spazi energetici caricati positivamente) che funziona come un polo positivo. Quando i fotoni del sole vengono assorbiti, la loro energia viene utilizzata per creare coppie elettrone-lacuna, che vengono poi separati all'interfaccia tra i due strati e raccolti come elettricità.
Grazie alle sue proprietà fotoelettroniche superiori, il silicio rimane il semiconduttore fotovoltaico preferito, ma l'aumento della domanda ha gonfiato il prezzo della materia prima. Per di più, a causa dell'alto livello di purificazione dei cristalli richiesto, anche la fabbricazione della più semplice cella solare a base di silicio è complessa, processo energivoro e costoso.
Yang e il suo gruppo sono in grado di ridurre sia la quantità che i requisiti di qualità per il silicio utilizzando array verticali di giunzioni p-n radiali nanostrutturate piuttosto che giunzioni p-n planari convenzionali. In una giunzione p-n radiale, uno strato di silicio di tipo n forma un guscio attorno a un nucleo di nanofili di silicio di tipo p. Di conseguenza, elettroni e lacune fotoeccitati percorrono distanze molto più brevi verso gli elettrodi, eliminando un collo di bottiglia del portatore di carica che spesso si verifica in una tipica cella solare al silicio. Anche l'array a geometria radiale, come hanno rivelato le misurazioni della fotocorrente e della trasmissione ottica di Yang e Garrett, migliora notevolmente l'intrappolamento della luce.
“Dal momento che ogni singolo nanofilo nell'array ha una giunzione p-n, ognuno agisce come una singola cella solare, "Dice Yang. “Regolando la lunghezza dei nanofili nei nostri array, possiamo aumentare la lunghezza del percorso di intrappolamento della luce.”
Mentre l'efficienza di conversione di questi nanofili solari era solo del 5-6 percento circa, Yang afferma che questa efficienza è stata raggiunta con poco sforzo nella passivazione della superficie, antiriflesso, e altre modifiche che aumentano l'efficienza.
“Con ulteriori miglioramenti, soprattutto nella passivazione superficiale, pensiamo che sia possibile spingere l'efficienza oltre il 10 percento, "Dice Yang.
Combinando un'efficienza di conversione del 10% o superiore con quantità notevolmente ridotte di materiale di silicio di partenza e la capacità di utilizzare silicio di grado metallurgico, dovrebbe rendere l'uso dei nanofili di silicio un candidato interessante per lo sviluppo su larga scala.
Come dice Yang, "La nostra tecnica può essere utilizzata nei processi di produzione di pannelli solari esistenti".
