Una cella solare è fondamentalmente un semiconduttore, che converte la luce solare in elettricità, racchiuso tra contatti metallici che trasportano la corrente elettrica.

Ma questo design ampiamente utilizzato ha un difetto:il metallo lucido sulla parte superiore della cella riflette effettivamente la luce solare lontano dal semiconduttore in cui viene prodotta l'elettricità, riducendo l'efficienza della cella.

Ora, Gli scienziati della Stanford University hanno scoperto come nascondere il contatto superiore riflettente e incanalare la luce direttamente sul semiconduttore sottostante. Le loro scoperte, pubblicato sulla rivista ACS Nano , potrebbe portare a un nuovo paradigma nella progettazione e fabbricazione di celle solari.

"Utilizzando le nanotecnologie, abbiamo sviluppato un nuovo modo per rendere il contatto metallico superiore quasi invisibile alla luce in entrata, ", ha affermato l'autore principale dello studio Vijay Narasimhan, che ha condotto il lavoro come studente laureato a Stanford. "La nostra nuova tecnica potrebbe migliorare significativamente l'efficienza e quindi ridurre il costo delle celle solari".

Metallo a specchio

Nella maggior parte delle celle solari, il contatto superiore è costituito da una griglia metallica che trasporta l'elettricità da o verso il dispositivo. Ma questi fili impediscono anche alla luce solare di raggiungere il semiconduttore, che di solito è fatto di silicio.

"Più metallo hai sulla superficie, più luce blocchi, ", ha affermato il coautore dello studio Yi Cui, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. "Quella luce viene quindi persa e non può essere convertita in elettricità."

contatti in metallo, perciò, "affrontare un compromesso apparentemente inconciliabile tra conduttività elettrica e trasparenza ottica, " Narasimhan ha aggiunto. "Ma la nanostruttura che abbiamo creato elimina questo compromesso".

Per lo studio, il team di Stanford ha posizionato una pellicola d'oro di 16 nanometri su un foglio piatto di silicio. La pellicola d'oro era crivellata di una serie di fori quadrati di dimensioni nanometriche, ma per l'occhio, la superficie sembrava lucida, specchio d'oro.

L'analisi ottica ha rivelato che il film d'oro perforato copriva il 65 percento della superficie di silicio e rifletteva, in media, 50 per cento della luce in entrata. Gli scienziati hanno pensato che se potessero in qualche modo nascondere la pellicola d'oro riflettente, più luce raggiungerebbe il semiconduttore di silicio sottostante.

Nanopilastri di silicio

La soluzione:creare pilastri di silicio di dimensioni nanometriche che "svettano" sopra la pellicola d'oro e reindirizzano la luce solare prima che colpisca la superficie metallica.

La creazione di nanopilastri di silicio si è rivelata un processo chimico in un'unica fase.

"Abbiamo immerso il silicio e la pellicola d'oro perforata insieme in una soluzione di acido fluoridrico e perossido di idrogeno, " ha detto il dottorando e coautore dello studio Thomas Hymel. "La pellicola d'oro ha iniziato immediatamente a sprofondare nel substrato di silicio, e i nanopilastri di silicio hanno iniziato a spuntare attraverso i fori nel film".

In pochi secondi, i pilastri di silicio sono cresciuti fino a un'altezza di 330 nanometri, trasformando la superficie dorata lucida in un rosso scuro. Questo drammatico cambiamento di colore era una chiara indicazione che il metallo non rifletteva più la luce.

"Non appena i nanopilastri di silicio hanno cominciato ad emergere, hanno iniziato a incanalare la luce attorno alla griglia metallica e nel substrato di silicio sottostante, " ha spiegato Narasimhan.

Ha paragonato l'array di nanopillar a uno scolapasta nel lavello della tua cucina. "Quando apri il rubinetto, non tutta l'acqua passa attraverso i fori dello scolapasta, " disse. "Ma se dovessi mettere un piccolo imbuto sopra ogni buco, la maggior parte dell'acqua scorrerebbe senza problemi. Questo è essenzialmente ciò che fa la nostra struttura:i nanopilastri agiscono come imbuti che catturano la luce e la guidano nel substrato di silicio attraverso i fori nella griglia metallica".

Grande spinta

Il team di ricerca ha quindi ottimizzato il design attraverso una serie di simulazioni ed esperimenti.

"Le celle solari sono in genere ombreggiate da fili metallici che coprono dal 5-10% della superficie superiore, " Narasimhan ha detto. "Nel nostro miglior design, quasi i due terzi della superficie possono essere rivestiti di metallo, tuttavia la perdita di riflessione è solo del 3%. Avere così tanto metallo potrebbe aumentare la conduttività e rendere la cella molto più efficiente nel convertire la luce in elettricità".

Per esempio, questa tecnologia potrebbe aumentare l'efficienza di una cella solare convenzionale dal 20% al 22%, un aumento significativo, Egli ha detto.

Il team di ricerca prevede di testare il progetto su una cella solare funzionante e valutarne le prestazioni in condizioni reali.

Contatti segreti

Oltre all'oro, l'architettura nanopillar funzionerà anche con contatti in argento, platino, nichel e altri metalli, ha detto la studentessa laureata e co-autrice Ruby Lai.

"Li chiamiamo contatti segreti, perché il metallo si nasconde nelle ombre dei nanopilastri di silicio, " ha detto. "Non importa che tipo di metallo ci metti dentro. Sarà quasi invisibile alla luce in arrivo."

Oltre al silicio, questa nuova tecnologia può essere utilizzata con altri materiali semiconduttori per una varietà di applicazioni, compresi fotosensori, diodi luminosi e display, batterie trasparenti, così come le celle solari.

"Con la maggior parte dei dispositivi optoelettronici, in genere si costruiscono separatamente il semiconduttore e i contatti metallici, " disse Cui, co-direttore del Consorzio Fotovoltaico Bay Area del Dipartimento dell'Energia (BAPVC). "I nostri risultati suggeriscono un nuovo paradigma in cui questi componenti sono progettati e fabbricati insieme per creare un'interfaccia ad alte prestazioni".