Ηλιακές κυψέλες υψηλής απόδοσης από νανοαγωγούς.

Υπολογιστική προσομοίωση της ηλιακής απορρόφησης
σε πέντε νανοαγωγούς.

Ερευνητές στη Σουηδία και τη Γερμανία λένε ότι έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα για την ανάπτυξη υψηλής απόδοσης ηλιακών κυψελών που βασίζονται σε νανοαγωγούς. Έχουν δείξει ότι τα κύτταρα, που γίνονται από μικροσκοπικά σύρματα του ημιαγώγιμου φωσφορούχο ίνδιο (ΙηΡ) έχουν αποδόσεις τόσο υψηλές όσο 13,8% ενώ καλύπτουν μόνο περίπου 12% της επιφάνειας της συσκευής. Ενώ η απόδοση της τάξης του 13,8% δεν είναι τόσο καλή όσο και τα καλύτερα εμπορικές συσκευές πυριτίου, η ομάδα πιστεύει ότι θα μπορούσε να βελτιωθεί σημαντικά με περαιτέρω έρευνα.

Οι νανοαγωγοί (μικροσκοπικά καλώδια ημιαγωγών με πάχος μόλις μερικές εκατοντάδες νανόμετρα ή λιγότερο) παρουσιάζουν μεγάλες δυνατότητες για την κατασκευή ηλιακών κυψελών που είναι πιο ευέλικτες, ελαφρείς και φθηνότερες από τις συμβατικές επίπεδες συσκευές. Νανοδομές όπως αγωγοί είναι αποτελεσματικοί απορροφητές φωτός και μπορούν να δρουν ως "κεραίες", συλλέγουν πολύ περισσότερο φως από ότι μια συσκευή με μία επίπεδη επιφάνεια. Αυτό οφείλεται στη συλλεκτικές ταλαντώσεις των φορέων φορτίου - που ονομάζονται πλασμόνια - που αλληλεπιδρούν έντονα με το φως. "Μία από τις συνέπειες αυτής της ισχυρής απορρόφησης των νανοαγωγών είναι ότι παρατηρούμε υψηλή απορρόφηση φωτός -αποτελεσματική ακόμη και αν μόνο ένα μικρό μέρος της επιφάνειας της συσκευής καλύπτεται από τα νανοϋλικά", εξηγεί το μέλος της ομάδας Borgström Magnus του Πανεπιστημίου του Lund.

Εκατομμύρια καλώδια

Οι συσκευές που έχουν κατασκευαστεί από την ομάδα μέτρησαν περίπου ένα τετραγωνικό χιλιοστό και το καθένα περιέχει περίπου τέσσερα εκατομμύρια νανοαγωγούς ΕΙΑ. Οι ερευνητές αύξησαν τους νανοαγωγούς χρησιμοποιώντας μια καθιερωμένη τεχνική που ονομάζεται "ατμός στερεάς ανάπτυξης". "Οι νανοαγωγοί μας έπρεπε να είναι ομοιόμορφοι, με ένα συγκεκριμένο μήκος και διάμετρο σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Από την αρχή που δουλεύουμε με επαφές p-n InP, που μας έχει πάρει τέσσερα χρόνια για να φτάσουμε σε αυτό το αποτέλεσμα", εξηγεί Borgström.

Η ομάδα, η οποία αποτελείται από επιστήμονες Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο Lund, Fraunhofer ISE στο Φράιμπουργκ, το Πανεπιστήμιο του Kassel και εταιρεία η Solvoltaics, επίσης στο Lund, επέλεξε τον τύπο ΙηΡ επειδή έχει άμεσο χάσμα των 1,34 eV, πράγμα που σημαίνει ότι αυτό μπορεί να απορροφά το φως σε ένα εύρος φάσματος του ηλιακού μήκους κύματος.

Σε αυτή την τελευταία δουλειά, η ομάδα ήταν σε θέση να προσδιορίσει την ιδανική διάμετρο των νανοαγωγών - που κατέληξε να είναι περίπου 180 nm. "Το σωστό μέγεθος είναι απαραίτητο για τους νανοαγωγούς για να απορροφήσουν φωτόνια όσο το δυνατόν περισσότερο. Εάν είναι μόνο μερικά δέκατα του νανομέτρου, η λειτουργία τους είναι σημαντικά μειωμένη", λέει ο Borgström.

Η απόδειξη της αρχής

Τα κύτταρα που γίνονται από την ομάδα έχουν αποδόσεις υψηλές περίπου 13,8% - απόδοση που είναι πολλά υποσχόμενη, αλλά εξακολουθεί να είναι σημαντικά μικρότερη από τις καλύτερες εμπορικές συσκευές πυριτίου, που λειτουργούν στο 15-22%. "Τα ευρήματά μας είναι τα πρώτα που δείχνουν ότι είναι πραγματικά δυνατό να χρησιμοποιήσουμε νανοαγωγούς για την κατασκευή ηλιακών κυψελών", λέει ο Borgström. Ωστόσο, η υψηλότερη απόδοση που αναφέρθηκε ποτέ για ένα συμβατικό InP ηλιακών κυψελών είναι 22% και η ομάδα παραδέχεται ότι θα εξακολουθήσει να μελετά αν μπορεί να σπάσει σε μικρότερα ποσά από το υλικό νανοαγωγών.

Οι ερευνητές πιστεύουν επίσης ότι η πρόοδος των νανοαγωγών για τις ηλιακές κυψέλες είναι οι πολυ-επαφές, που αυξάνουν την αποτελεσματικότητα με τη χρήση πολλών διαφορετικών δομών συντονισμένων σε διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός από τον Ήλιο. "Πιστεύουμε ότι ο δρόμος  των εφαρμογών για τις ηλιακές κυψέλες περιλαμβάνει πολυ-επαφές με την τεχνολογία νανοαγωγών  για τις οποίες το ρεκόρ είναι 44% σε λεπτές ταινίες", λέει ο Borgström.

Πηγή, Physicsworld

Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας