Młody zespół badawczy z Helmholtz-Zentrum w Berlinie, kierowany przez profesor Martinę Schmid, pracował nad wykorzystaniem nanocząstek o wielkości rzędu długości fali do poprawy sprawności ogniw słonecznych i innych urządzeń optoelektronicznych. Osiągnęli niezwykle cienkie ogniwa typu CIGS o wysokiej wydajności. Obecnie swój sukces badawczy zgłosili w Journal of American Chemical Society ACS Nano.

Reklama

Ogniwa słoneczne typu CIGS są wykonane z cienkiej warstwy chalkopirytu zawierającej miedź, gal, ind i selen. Osiągają one stosunkowo wysokie wydajności. Jednak ind jest na tyle drogim pierwiastkiem, że trudno jest zwiększyć efektywność konwersji promieniowania słonecznego na tych ogniwach. Wpływ na niewielką grubość ogniw (kilka mikrometrów) ma również rzadkie występowanie indu. Zmniejszanie grubości warstwy aktywnej CIGS w celu redukcji kosztów ciągnie za sobą znaczne spadki wydajności, ponieważ mniejsza ilość światła może być pochłaniana. W przypadku kiedy aktywna warstwa jest cieńsza niż jeden mikrometr, pojawia się dodatkowy problem – coraz więcej nośników ładunku spotka się ze sobą i ponownie łączy – przez co zanikają.

Liczne badania nad usprawnieniem ogniw typu CIGS doprowadziły do stworzenia wysokiej jakości ultracienkiego ogniwa i zwiększenia wydajności poprzez szereg drobnych nanocząstek umieszczonych między tylną a aktywną warstwą. Badania nad wyprodukowaniem ultracienkiej warstwy o grubości zaledwie 0,46 mikrometra zajęły naukowcom ponad rok. Ich sprawność wynosiła wówczas 11,1 proc. Przemyślenia nad możliwością zastosowania nanocząstek pomiędzy warstwami (aktywną i tylną) ogniwa słonecznego doprowadziły profesor Schmid do współpracy z profesorem Polmanem z Centrum Nanooptyki w Amsterdamie. Jest on pionierem w dziedzinie nanofotoniki. Wyszedł on z koncepcją produkcji tablic nanocząsteczek dielektrycznych z użyciem technologii nanodruku.

W pierwszym etapie holenderski badacz pracował nad zrealizowaniem nanocząsteczki z dwutlenkiem tytanu (TiO2), która miałaby stanowić górną warstwę ogniwa. Zgodnie z założeniem, chodziło o to, że miały one działać jak pułapki świetlne, jednocześnie zwiększając wchłanianie w warstwie CIGS. Jak się okazało był to zły kierunek badań, nie spowodowały bowiem zwiększenia wydajności ogniw.  Naukowcy kontynuowali jednak testy i ostatecznie dowiedli, że najlepszym rozwiązaniem jest umieszczenie nanocząstek pod spodem, w kontakcie między warstwami aktywną a tylną.

Współpracownicy z Amsterdamu wytwarzali szereg nanocząstek  dwutlenku krzemu (SiO2) bezpośrednio na warstwie molibdenu, która odpowiada tylnej części styku ogniwa słonecznego. Na wierzchu tak przygotowanego podłoża nadrukowywana była ultracienka warstwa CIGS, a następnie wszystkie inne warstwy i kontakty potrzebne do ogniwa słonecznego. W tej konfiguracji, wydajność zwiększyła się z 11,1 proc. do 12,3 proc., a gęstość prądu zwarcia komórek warstw CIGS wzrosła więcej niż 2 mA / cm2. Ponieważ wszystkie warstwy są bardzo cienkie, nawet górna warstwa pokazuje deformacje według wzoru nanocząstek. Jak podają naukowcy, dodatkowa antyrefleksyjna warstwa nanocząstek z przodu spowoduje podniesione wydajności nawet do 13,1 proc.

Obecnie trwają dalsze badania nad zwiększaniem sprawności ogniw. Martina Schmid twierdzi, że przeprowadzone już badania są tylko zaczątkiem dla nowych pomysłów, których celem jest zwiększenie wydajności poprzez wykorzystanie optycznych i elektrycznych korzyści płynących z zastosowania nanocząsteczek.