Et nytt materiale muliggjør produksjon av høyeffektive solcellepaneler. Dette er de såkalte halvledernanotrådene. Når det plasseres på toppen av et tradisjonelt silisiumbasert solcellepanel, kan det potensielt doble effektiviteten til disse solcellepanelene på en økonomisk måte.

Materialet er utviklet av forskere fra Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. «Vi har en ny metode for svært effektiv bruk av galliumarsenid (GaAs) materiale via nanostrukturering, slik at vi kan gjøre solcellepaneler mye mer effektive ved å bruke bare en brøkdel av materialet som normalt brukes,» forklarer Anjan Mukherjee, student. Institutt for elektroniske systemer ved Norges universitet.

Øk effektiviteten

Mukherjee er hovedutvikleren av den nye teknikken. Forskere kaller GaAs det beste materialet for å øke effektiviteten til solceller. Dette med tanke på dens eksepsjonelle lysabsorberende og elektriske egenskaper. Materialet har lenge vært brukt til produksjon av solcellepaneler beregnet for bruk i verdensrommet.

At materialet ennå ikke er bearbeidet i stor skala til solcellepaneler på jorden, skyldes blant annet kostnader. Produksjon av høykvalitets GaAs-komponenter for solceller er relativt dyrt. Det er derfor stor etterspørsel etter teknikker som reduserer mengden GaAs-materiale som kreves, rapporterer forskerne.

Ti ganger mer effektiv

En slik teknikk ser nå ut til å være tilgjengelig. «Forskergruppen vår har oppdaget en ny måte å produsere solceller med et veldig høyt effekt-til-vekt-forhold som er mer enn ti ganger mer effektiv enn noen annen solcelle som bruker GaAs i en nanotrådstruktur,» forklarer Helge Weman, professor. ved NTNU Institutt for elektroniske systemer, ut. En forskningsartikkel fra gruppen ble publisert i ACS Photonics.

En viktig kostnadspost i tradisjonell GaAs-solcelleproduksjon er det faktum at de vanligvis «vokser» på en tykk og derfor relativt dyr GaAs-underkonstruksjon. Forskere avviker fra dette. «Vår metode bruker et vertikalt utvalg av nanotrådarrayer på en rimelig, industrifokusert silisium nanotrådvekstplattform,» sa Weman.

Minimer produksjonskostnadene

Ifølge forskerne er den mest kostnadseffektive og effektive løsningen å dyrke såkalte doble tandemceller med en GaAs nanotrådcelle på toppen av en silisiumsolcelle. Bruk av et kostbart GaAs-substrat er derfor ikke nødvendig. «Vi jobbet for å minimere kostnadene ved å dyrke den høyere GaAs nanotrådcellen, ettersom kostnadene ved å produsere GaAs er en av de største utfordringene som for øyeblikket hindrer teknologien.»

Bjorn-Ove Fimland, professor ved Institutt for elektroniske systemer ved NTNU: «Det lille fotavtrykket til nanotrådstrukturen gir ytterligere fordeler, da det gir høy kvalitet i krystallene til nanotrådene og i grensesnittet med silisium. Dette forbedrer ytelsen til solcellen”.

Molekylær stråleepitaksi

Forskere bruker en metode kalt molecular beam epitaxy (MBE) for å produsere nanotrådene. Denne metoden er mindre egnet for produksjon av materiale i store volumer. Mukherjee: «Det er imidlertid mulig å produsere disse nanotrådbaserte solcellene i stor skala ved å bruke industrielle verktøy som metallorganisk dampavsetning (MOCVD).»

Integrering av produktet over en silisiumsolcelle kan øke effektiviteten med opptil 40 %. Sammenlignet med silisiumsolceller som er tilgjengelig på markedet i dag, forventes tilnærmingen å doble effektiviteten.

Andre applikasjoner

Forskerne ser for seg flere bruksområder for nanotrådene deres. Modifikasjon av metoden bør tillate vekst av nanotråder på andre underlag. Ifølge forskerne åpner dette for flere søknader. «Vi utforsker dyrkingen av disse typene lette nanotrådstrukturer på atomtynne todimensjonale substrater som grafen. Dette kan åpne for enorme muligheter for produksjon av lette og fleksible solceller som kan brukes i selvdrevne droner, mikrosatelitter og andre romapplikasjoner, avslutter Mukherjee.

Mer informasjon er her tilgjengelig.

Forfatter: Wouter Hoeffnagel