Ultratunna solceller

Vår forskning strävar mot att bidra till skapandet av en ny klass av effektiva solceller, med absorptionsskikt så tunna att de närmar sig gränsen för vad som är möjligt utifrån grundläggande fysik.
En viss tjocklek
För att effektivt ta vara på solens spektrum krävs det en viss tjocklek för det ljusabsorberande materialet i en solcell. Från en väldigt generell utgångspunkt kan den minimala tjockleken som krävs uppskattas med hjälp av optiska sumregler, och den hamnar då i den nedre delen av nanoskalan, från cirka 10 till 30 nm. Detta förutsätter att oscillatorstyrkan hos de elektroner som involveras kan utnyttjas för absorption på ett idealiskt sätt, men visar ändå på en stor och viktig potential för att spara på material och resurser vid solcellstillverkning, då det handlar om flera storleksordningar tunnare skikt än i de solceller som används idag.
Hög absorption för solljus
Om hög absorption för solljus och åtföljande generering av elektron-hålpar kan åstadkommas i ultratunna skikt, följer även andra fördelar såsom möjlighet till högre verkningsgrad och speciellt utspänning, kortare återbetalningstid för energiåtgången vid produktion, möjlighet till snabbare produktionsprocesser, högre mekanisk flexibilitet och lägre vikt. Överlag bidrar detta till en högre resurseffektivitet och lägre kostnad för el från solceller, vilket är kritiska faktorer för solcellers konkurrenskraft och den hastighet med vilken solceller kan ta marknadsandelar från fossila bränslen och bidra till ett mer hållbart energisystem.
Två huvudsakliga utmaningar
Det finns många utmaningar i att lyckas reducera absorptionsskiktets tjocklek ända ned till nanoskalan (mellan 1 och 100 nm). Men just därför, och med tanke på de stora vinster som finns att hämta från en sådan utveckling, är det ett väldigt spännande forskningsområde.
Två huvudsakliga utmaningar, vid en jämförelse med vanliga tunnfilmssolceller, är:
- Otillräcklig ljusabsorption, speciellt för våglängder nära solcellens bandgap, där
absorptionskoefficienten för solcellsmaterialet är låg.
- Ökad ytrekombination vid solcellens bak-kontakt, eftersom ljusabsorption och generering av elektron-hål-par i absorptionsskiktet sker på kortare avstånd från detta gränsskikt.
Det finns flera tänkbara strategier för att bemöta kravet på ljusabsorption, vilket inkluderar optiska kaviteter, resonanser i små dielektriska eller metalliska partiklar, och/eller användandet av andra typer av nano- eller mikrostrukturer för att sprida eller förstärka det elektromagnetiska fältet i absorptionsskiktet.
Vårt fokus här är att utnyttja metallnanopartiklar med lokaliserade ytplasmonresonanser i det relevanta våglängdsområdet, dvs från synliga till närliggande infraröda våglängder. Plasmonresonanser, speciellt i kombination med optiska nanokaviteter, kan effektivt absorbera ljus över ett betydande våglängdsområde, och därigenom bidra till en kraftig förstärkning av den optiska fältstyrkan omkring partiklarna – och därmed till absorptionen – i ett närliggande solcellsmaterial. För att realisera detta på ett framgångsrikt sätt, krävs en välkontrollerad tillverkning av nanostrukturer i processer som är kompatibla med solcellsmaterialen. Designmässigt är det viktigt att minimera absorptionsförluster i
form av värmebildning i metallkomponenterna. Vi har utvecklat processer för fabrikation av välordnade gitter av guldnanopartiklar, med hjälp av självorganiserande blocksampolymerer. Vi utforskar också nya typer av solcellsmaterial, så som tennmonosulfid, lämpade för att förverkliga en nära optimal design av solcellsskiktet med hjälp av atomlagerdeposition (ALD) på partikelgitter.
Vi tar numeriska beräkningar baserade på finita elementmetoden (FEM) till hjälp.
Då det gäller rekombination vid ultratunna solcellers kontaktytor tittar vi i huvudsak på att begränsa kontaktarean med hjälp av passiverande skikt med punktkontakter, och/eller med selektiva kontaktskikt som med hjälp av inbyggda fält eller lämplig bandstruktur separerar elektron-hål-par från varandra.
Kvanmekanisk tunnling är också av intresse här, då det kan ge tillräcklig ledningsförmåga genom passiverande (dielektriska), ultratunna skikt. Av den anledningen, liksom av de optimala dimensioner i nanopartikelgitter som bestäms av solcellsskiktets låga tjocklek, står åter den nedre delen av nanoskalan
i fokus för dessa lösningar. Vi studerar, experimentellt och med hjälp av numeriska beräkningar, samverkan mellan ett flertal mekanismer för att förbättra designen för punktkontakter i solceller.
Kontakt: Carl Hägglund
Vill du läsa mer om forskningen på ultratunna solceller?
Här kan du läsa en sammanfattning på svenska av en av våra vetenskapliga artiklar.