Panele słoneczne cieńsze od długości fali światła kryją olbrzymi potencjał energetyczny

Ultra cienkie ogniwa słoneczne mogą absorbować światło słoneczne bardziej wydajnie niż grube i droższe ponieważ światło zachowuje się inaczej w skali nano - twierdzą inżynierowie z Uniwersytetu Stanforda. Obliczyli, że właściwie skonfigurowana warstwa organicznego polimeru grubości nanometra, jest w stanie absorbować 10-krotnie więcej energii słonecznej niż poziom absorpcji dotychczas uważany za maksimum.

Badacze pokazali, że fale światła odbijające się wewnątrz polimerowej warstwy zachowują się inaczej w przypadku, gdy warstwa ta jest ultra cienka. Metoda przekroczenia teoretycznego limitu absorpcji polega na utrzymaniu fali świetlnej wewnątrz panelu wystarczająco długo aby "wycisnąć" z niej maksimum energii używając techniki "light trapping". 

"Im dłużej foton pozostaje w ogniwie słonecznym tym rośnie szansa że zostanie zaabsorbowany" - mówi Shanhui Fan, profesor inżynierii elektrycznej. Wydajność, z jaką dany materiał absorbuje światło jest bardzo ważna determinując całkowitą sprawność konwersji ogniwa.

"Light trapping" jest techniką używaną przez dekady w krzemowych ogniwach słonecznych. Pomimo starań naukowców nikomu nie udało się poprawić sprawności technologii w skali makro aż do teraz. Uznano, że technologia była ograniczona przez fizyczne limity zależne od prędkosci poruszania się fali światła w materiale.

Światło ma podwójną naturę. Czasem zachowuje się jak cząsteczki stałe (fotony), a czasem jak fala energii. Fan i Zongfu Yu postanowili jeszcze raz zbadać konwencjonalny limit "light trappingu" pod kątem prawdziwości w skali nano.

"Nauczyliśmy się myśleć, że światło zawsze podąża w linii prostej" mówi Fan. "Światło uderza w lustro i widzimy drugą wiązkę świetlną" - jest to typowy sposób postrzegania światła.

"Schodząc w skalę nano, która nas interesuje (milionowe części milimetra) widzimy światło jako falę elektromagnetyczną". Światło widzialne to fale elektromagnetyczne o długości fali 400-700nm, ale nawet w tej skali, według prof. Fana, wiele struktur analizowanych przez Yu pasuje do teoretycznego modelu.

Yu opracował poprzez numeryczne symulacje, że najbardziej efektywną strukturą przynoszącą korzyści w skali nano jest połączenie kilku warstw wokół warstwy organicznej - absorbującej. Zmieniając parametry każdej z warstw udało mu się uzyskać 12-krotny wzrost absorpcji światła przez panel.

Więcej informacji: www.pnas.org