Gli scienziati hanno scoperto che la chiave per superare un limite di intrappolamento della luce risiede nell'aumento della densità degli stati ottici nel materiale assorbente. La scoperta potrebbe portare alla progettazione di celle solari altamente efficienti che sono anche molto sottili, e quindi poco costoso. Credito immagine:National Renewable Energy Lab
(PhysOrg.com) -- Le celle solari con le migliori prestazioni sono quelle che sono abbastanza spesse da assorbire la luce dall'intero spettro solare, mentre le celle solari più economiche sono quelle sottili, poiché richiedono meno, e potenzialmente più economico, Materiale. Nel tentativo di combinare il meglio dei due mondi, un team di scienziati ha delineato progetti per celle solari in grado di assorbire la luce dall'intero spettro solare ma con uno spessore di appena 10 nanometri. Il nuovo approccio progettuale, che potrebbe portare a migliori celle solari a basso costo, richiede il superamento di un limite termodinamico di intrappolamento della luce proposto negli anni '80.
Gli scienziati, Dennis Callahan, Jeremy Munday, e Harry Atwater, del California Institute of Technology di Pasadena, California, hanno riportato il nuovo metodo di intrappolamento della luce oltre il limite convenzionale in uno studio pubblicato in un recente numero di Nano lettere .
Il loro lavoro affronta uno studio del 1982 che proponeva un limite termodinamico su quanto della gamma di lunghezze d'onda ottiche può essere assorbito da lastre di semiconduttori sfuse omogenee. Il limite richiede che questi materiali abbiano uno spessore minimo per assorbire la luce dall'intero spettro solare. Di conseguenza, le odierne celle solari a semiconduttore sono generalmente progettate con spessi strati assorbenti per intrappolare quanta più luce solare possibile, che può essere costoso e complicato da fabbricare.
Precedenti analisi di questo limite di intrappolamento della luce (che a volte è chiamato limite del raggio ottico o limite ergodico di intrappolamento della luce) hanno mostrato che alcune celle solari effettivamente superano il limite sfruttando le interazioni delle onde. Sebbene i ricercatori abbiano teoricamente spiegato come ciò avvenga in casi selezionati, non esiste una spiegazione generale che possa essere estesa all'ampia varietà di schemi di intrappolamento della luce proposti che possono anche essere in grado di superare il limite.
Qui, gli scienziati del Caltech hanno proposto che la chiave per superare il limite di intrappolamento della luce risiede nell'aumentare la densità degli stati ottici di un semiconduttore. Poiché ciascuno di questi stati può accettare la luce di una certa lunghezza d'onda, averne di più può aumentare la quantità di luce che un materiale può assorbire.
“Ora è chiaro come pensare e progettare celle solari che possono potenzialmente superare questo precedente limite di intrappolamento della luce, "ha detto Callahan PhysOrg.com . “Tutto quello che devi fare è pensare a un modo per aumentare la densità degli stati ottici, e poi popolare questi stati. Ci sono molti strumenti e metodi che sono stati progettati per aumentare la densità degli stati ottici per altre aree di ricerca, per esempio la comunicazione ottica e l'ottica quantistica. Ma ora i ricercatori delle celle solari possono prendere queste idee e metterle nel contesto appropriato per le celle solari con l'aiuto del nostro lavoro. Anche, se qualcuno sta lavorando con un particolare tipo di cella solare, ora dovrebbe essere chiaro se ha il potenziale per superare il limite precedente o meno".
I ricercatori hanno dimostrato che qualsiasi materiale semiconduttore può superare il limite di intrappolamento della luce quando la densità locale degli stati ottici (LDOS) del suo strato assorbente supera l'LDOS del materiale semiconduttore sfuso. Mostrano anche che il miglioramento dell'LDOS dell'assorbitore a un livello necessario per assorbire il 99,9% dello spettro solare è fattibile anche per semiconduttori sottili come 10-100 nanometri (rispetto agli strati spessi micrometri utilizzati nei dispositivi commerciali di oggi).
"I nostri risultati suggeriscono che se si riesce a progettare l'ambiente elettromagnetico nel modo giusto, dovrebbe essere possibile arrivare fino a 10 nm, disse Callahan. “Si tratta solo di come progettarlo in modo appropriato e senza introdurre perdite parassitarie indesiderate. Questa è certamente una sfida, ma è qualcosa a cui stiamo attualmente pensando. Ora, una cella solare da 10 nm è probabilmente poco pratica per altri motivi come la necessità di più strati, ricombinazione superficiale, potenziali effetti quantistici, eccetera., ma è ancora nel regno delle possibilità”.
Il limite più importante all'aumento dell'LDOS dello strato assorbente è dovuto alla “densità delle regole di somma degli stati, " che affermano che l'aumento dell'LDOS in una regione dello spettro si traduce in una diminuzione in un'altra regione dello spettro. Come spiegano gli scienziati, questa conservazione di LDOS avviene naturalmente mediante un processo chiamato riponderazione spettrale, e può anche essere potenzialmente progettato artificialmente. Sebbene questa regola imponga un limite superiore all'assorbanza di una cella solare, i ricercatori spiegano che non dovrebbe limitare l'assorbimento delle celle solari per scopi pratici. Questo perché il potenziamento LDOS è necessario solo nello spettro solare, mentre LDOS può essere diminuito in qualsiasi regione al di fuori dello spettro solare, un'area molto più ampia. Per questa ragione, altri limiti fisici e pratici, come sfide di saturazione o fabbricazione, diventerà probabilmente rilevante prima che venga raggiunto un limite per aumentare l'LDOS.
Gli scienziati hanno anche dimostrato che una varietà di design di assorbitori solari può soddisfare i criteri fondamentali qui proposti per superare il limite convenzionale di intrappolamento della luce, cioè., esibendo un LDOS superiore a quello del materiale sfuso. Alcuni progetti includono l'utilizzo di materiali plasmonici, guide d'onda dielettriche, cristalli fotonici, e altri dispositivi.
“Stiamo attualmente cercando di trovare modi per progettare e aumentare la densità degli stati ottici il più in alto possibile all'interno di un design pratico di celle solari, disse Callahan. “Questo è un compito impegnativo per materiali ad alto indice come il silicio, ma ci sono molte possibilità che stiamo attualmente esaminando che sembrano promettenti”.
Copyright 2012 PhysOrg.com.
Tutti i diritti riservati. Questo materiale non può essere pubblicato, trasmissione, riscritto o ridistribuito in tutto o in parte senza l'espresso permesso scritto di PhysOrg.com.
