Νέα θεωρία, προτείνει υπέρλεπτες ηλιακές κυψέλες

Νέα θεωρία ανάβει φως για υπέρλεπτες κυψέλες

Φυσικοί στις ΗΠΑ έχουν αναπτύξει νέα θεωρητική τεχνική για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων σε υπέρλεπτες ηλιακές κυψέλες. Η μέθοδός τους δείχνει ότι η τεχνική, που αυξάνει την ποσότητα του απορροφούμενου φωτός από αυτές τις κυψέλες θα μπορούσε να έχει μερικές φορές ανεπιθύμητη, αρνητική επίδραση σε άλλες πτυχές στην απόδοσή τους.

Η ομάδα αναπτύσσει μία τεχνική, που να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εργαλεία αριθμητικών προσομοιώσεων, που χρησιμοποιούνται για την σχεδίαση ηλιακών κυψελών.

Οι υπέρλεπτες ηλιακές κυψέλες έχουν δύο βασικά πλεονεκτήματα από ότι οι παχύτερες όμοιές τους : απαιτείται λιγότερο υλικό για την κατασκευή τους, ενώ τα ηλεκτρόνια και οι οπές που απελευθερώνονται από το φως να μην να ταξιδέψουν πάρα πολύ, μειώνοντας έτσι τις απώλειες που προκύπτουν όταν ανασυνδυάζονται. Τα οφέλη αυτά, όμως, αντισταθμίζονται από το γεγονός ότι οι λεπτές κυψέλες απορροφούν λιγότερο φως από ότι οι κανονικές, που είναι και ο λόγος για τους ερευνητές να θέλουν να χρησιμοποιούν δομές μεγέθους νανόμετρου, που αυξάνουν την ποσότητα του φωτός που αλληλεπιδρά με τις υπέρλεπτες κυψέλες.

Οι δομές αυτές εκμεταλλεύονται τα οπτικά αποτελέσματα του εγγύς πεδίου, όπως είναι η αλληλεπίδραση του φωτός με επιφανειακά πλασμόνια - ταλαντώσεις ηλεκτρονίων σε μεταλλική επιφάνεια. Δυστυχώς, αυτές οι επιδράσεις του εγγύς πεδίου μπορούν επίσης να επηρεάσουν το ρυθμό με τον οποίο τα ηλεκτρόνια και οι οπές ανασυνδυάζονται εντός της κυψέλης, πράμα το οποίο θα μπορούσε να μειώσει την απόδοση του κυττάρου.

Η θερμοδυναμική εν δράση

Ενώ η απορρόφηση στο υπέρλεπτων ηλιακών κυψελών είναι σχετικά κατανοητή, η επίδραση της οπτικής του εγγύς πεδίου στα ηλεκτρόνια (αναδιάταξη των οπών) δεν είναι. Τώρα, όμως, ο Avi Niv και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Berkeley, έχουν αναπτύξει ένα νέο τρόπο αξιολόγησης της αποδοτικότητας των ηλιακών κυψελών και λένε ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε εξαιρετικά λεπτές κατασκευές. Η τεχνική αυτή εκμεταλλεύεται το "θεώρημα της διακύμανσης-διάχυσης", η οποία κάνει σύνδεση μεταξύ ενός συστήματος σε θερμική ισορροπία και την απόκριση του συστήματος σε μια μικροσκοπική διαταραχή.

Στην περίπτωση μιας ηλιακής κυψέλης, το σύστημα σε ισορροπία περιλαμβάνει μια σειρά από διαδικασίες, συμπεριλαμβανομένης της απορρόφησης και εκπομπής φωτονίων. Για τον υπολογισμό της αποτελεσματικότητας των ηλιακών κυψελών, πρέπει να γνωρίζουν οι φυσικοί τόσο το "φωτορεύμα" (τη ταχύτητα με την οποία δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίου-οπής) και την "αναδιάταξη ρεύματος", που είναι το ποσοστό στο οποίο ζεύγη ηλεκτρονίου-οπής ανασυνδυάζονται για να κάνουν ένα φωτόνιο. Όσο μεγαλύτερο είναι το φωτορεύμα, που σχετίζεται με την τρέχουσα αναδιάταξη, τόσο καλύτερη είναι η ηλιακή κυψέλη.

Ακτινοβόλα δίπολα

Η ομάδα μελέτησε αυτά τα φαινόμενα αναδιάταξης - διακύμανσης του συνόλου των ακτινοβόλων διπόλων. Αυτή η θερμοδυναμική προσέγγιση τους επέτρεψε να χρησιμοποιήσουν το θεώρημα της διακύμανση - διάχυσης και να εργαστούν από τη δύναμη της αναδιάταξης από την άποψη θερμοδυναμικών μεταβλητών, όπως τη θερμοκρασία και το χημικό δυναμικό.

Ο Niv και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν στη συνέχεια, αυτό το θεωρητικό πλαίσιο για τον υπολογισμό των βασικών παραμέτρων. Της τάσης, του ρεύματος και της αποδοτικότητας σε μία υπέρλεπτη ηλιακή κυψέλη. Η ιδανική κυψέλη τους περιελάμβανε μια στρώση υπέρλεπτου  ημιαγωγού αρσενικούχου γαλλίου (GaAs) επί ενός υποστρώματος χρυσού. Το φως εισέρχεται στο ηλιακό κύτταρο μέσω του αέρα και το φως που δεν απορροφάται ανακλάται πίσω από τον χρυσό μέσω ενός άλλου περάσματος από την ενεργό περιοχή της ηλιακής κυψέλης. Η ομάδα προσδιόρισε τέσσερα πιθανά κανάλια εκπομπής, που θα έπρεπε να εξεταστούν - το φως που εκπέμπεται πίσω στον αέρα και το φως που εκπέμπεται μέσα στο χρυσό, καθένα από τα οποία μπορεί να συμβεί με δύο διαφορετικές πολώσεις.

Η ομάδα υπολόγισε την εκπομπή για κυψέλη στην κλίμακα πάχους 0-300 nm και βρέθηκε ότι η εκπομπή αλλάζει σαν μία συνάρτηση του πάχους. Ειδικότερα, οι υπολογισμοί προβλέπουν μια μεγάλη κορυφή στην εκπομπή του παράλληλου-πολωμένου φωτός μέσα στο χρυσό υπόστρωμα - κάτι που η ομάδα το προσδιορίζει ως φανερή υπογραφή του φαινομένου του εγγύς πεδίου.

Έντονα βαθιά

Για να εξετάσει την επίδραση της απόδοσης των ηλιακών κυψελών, η ομάδα κοίταξε μια λεπτομερή ισορροπία μεταξύ του λόγου απορρόφησης και εκπομπής φωτονίων από τον ημιαγωγό. Ένας υπολογισμός της τάσης που δημιουργείται σε όλη τη κυψέλη όταν εκτίθεται στο ηλιακό φως έδειξε μια έντονη βουτιά στα 40 nm - η οποία θα πρέπει να αναμένεται λόγω της μεγάλης αιχμής εκπομπής στο εν λόγω πάχος - καθώς και άλλων επιδράσεων, που σχετίζονται με τη δομή του εγγύς πεδίου. Αντίθετα, ο υπολογισμός της τάσης χρησιμοποιώντας μία τεχνική που βασίζεται σε συμβατικές οπτικές δεν αποκαλύπτει κανένα από αυτά τα χαρακτηριστικά.

Σύμφωνα με τον Niv, η έρευνα δείχνει ότι η χρήση των νανοδομών στο εσωτερικό των κυψελών για να τους αυξήσει την απορρόφηση φωτός θα έχει επίσης επίδραση στην εκπομπή φωτός - και αμφότερα τα αποτελέσματα θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον προσδιορισμό της συνολικής αποτελεσματικότητας του σχεδιασμού.

Εκτός από την προσπάθεια βελτιστοποίησης της τεχνικής που χρησιμοποιείται για την μοντελοποίηση των ηλιακών κυψελών, ο Niv λέει ότι η ομάδα του εργάζονται επίσης για εύρεση τρόπων με τους οποίους η θεωρία θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ένα εργαλείο αριθμητικής προσομοίωσης, που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό ηλιακών κυψελών.

Η έρευνα περιγράφεται στο περιοδικό Physical Review Letters .

Πηγή, physicsworld

Απόδοση στα ελληνικά, Δημήτρης Γιάκας