(Phys.org) —I ricercatori hanno mostrato come aumentare l'efficienza delle celle solari a film sottile, una tecnologia che potrebbe portare energia solare a basso costo. L'approccio utilizza "cristalli fotonici" 3D per assorbire più luce solare rispetto alle celle a film sottile convenzionali.

I cristalli sintetici possiedono una struttura chiamata "opale inverso" per utilizzare e migliorare le proprietà che si trovano nelle pietre preziose per riflettere, diffrangere e piegare la luce solare in arrivo.

"Generalmente, nelle celle solari di silicio a film sottile gran parte della luce del sole torna indietro, ma usando il nostro approccio la luce entra ed è diffratta, facendolo propagare in un percorso parallelo all'interno del film, " ha detto Peter Bermel, un assistente professore presso la School of Electrical and Computer Engineering e Birck Nanotechnology Center della Purdue University.

Rispetto alle celle solari fatte di wafer di silicio, il costo si riduce di 100 volte per i film sottili. Però, sono meno efficienti.

"La domanda è, possiamo compensare questa minore efficienza introducendo nuovi approcci all'intrappolamento della luce per le celle solari a film sottile?", ha affermato Bermel. "Possiamo combinare basso costo e alte prestazioni?"

I ricercatori sono i primi a dimostrare l'incorporazione dei cristalli fotonici 3D per aumentare l'intrappolamento della luce nelle celle solari in silicio cristallino. I risultati sperimentali indicano un aumento dell'efficienza di circa il 10% rispetto ai film sottili di silicio convenzionali, con ulteriori possibilità di miglioramento.

La tecnologia è migliore nell'assorbire e raccogliere la luce del vicino infrarosso.

"Una delle ragioni principali per cui le celle solari in silicio a film sottile hanno un'efficienza inferiore è che non assorbono la luce del vicino infrarosso in modo molto efficace, " ha detto Bermel. "La luce nel vicino infrarosso è importante perché c'è molta energia solare in quella gamma di lunghezze d'onda e anche perché il silicio può convertire la luce del vicino infrarosso in energia se può assorbirla, ma i film sottili non lo assorbono completamente."

I risultati sono stati dettagliati in un documento di ricerca apparso in ottobre sulla rivista scientifica peer-reviewed Materiali ottici avanzati .

Il documento è stato scritto dal dottorando Leo T. Varghese, chi si è laureato; professore di ricerca Yi Xuan; dottorando Ben Niu; l'ex dottorando Li Fan, che si è anche laureato; Bermellata; e Minghao Qi, professore associato di ingegneria elettrica e informatica.

I ricercatori hanno creato opali inversi utilizzando un processo chiamato autoassemblaggio guidato dal menisco.

"Potresti farli su ordine o design personalizzato, e abbiamo deciso di realizzarli per celle solari per migliorare l'assorbimento della luce, " disse Qi.

Il silicio è stato per molti anni il materiale dominante utilizzato nelle celle solari. Però, le celle solari realizzate con spessi wafer di silicio monocristallino sono troppo costose per essere pratiche per un'applicazione diffusa. Questa limitazione ha guidato la recente innovazione nelle celle solari in silicio multicristallino ea film sottile.

"La nostra premessa è di utilizzare solo l'1% di materiale in più rispetto a un wafer di silicio utilizzando questi film sottili di silicio cristallino, " disse Qi.

Le applicazioni per le celle solari a film sottile includono la generazione di elettricità per i servizi pubblici e la casa, così come applicazioni su scala ridotta come la ricarica mobile di dispositivi elettronici.

Gli opali naturali creano modelli arcobaleno causati dalla diffrazione di diverse lunghezze d'onda della luce ad angoli diversi. Gli opali sono fatti di sfere di silice solida in una matrice di qualche altro materiale. Le nuove strutture sintetiche sono chiamate opali inversi perché sono costituite da sfere cave d'aria circondate da silicio.

I ricercatori costruiscono prima una struttura opale standard. Le sfere sono poste in una soluzione, che evapora, lasciando la struttura autoassemblata.

"Mentre evapora le sfere si impilano sopra il substrato proprio al menisco, l'interfaccia tra il liquido e l'aria, " ha detto Varghese.

I produttori ora aumentano l'assorbimento della luce incidendo o depositando trame casuali sui film sottili.

"Pensiamo che sia meglio combinare sia la casualità testurizzata che la struttura ordinata, " ha detto Bermel. "La trama aiuta bene con alcune lunghezze d'onda e la struttura ordinata aiuterà con altre".