Nanolichtverstrooiers maken zonnecellen zwart – en efficiënter

Reflectie is een natuurlijk verschijnsel dat zich voordoet wanneer licht invalt op het grensvlak tussen twee materialen. Zo weerspiegelt de zon in een glazen raam omdat zo’n vijf tot tien procent van het licht aan het grensvlak tussen glas en lucht wordt teruggekaatst. Een silicium plak reflecteert zelfs veertig procent van het licht. Voor zonnecellen is dat een probleem, want al dat licht kan niet omgezet worden in elektriciteit. Een ideale zonnecel reflecteert niets en is helemaal zwart. Dat de meeste zonnepanelen een blauwe kleur hebben betekent dus dat ze niet optimaal functioneren.

Licht vangen door verstrooiing

Er is nu een oplossing voor dit probleem, die op het eerste gezicht heel tegennatuurlijk lijkt. De onderzoekers ontdekten dat als ze de zonnecel bedekken met verstrooiende nanodeeltjes, de silicium plak helemaal zwart wordt. De verrassing is dat het verstrooide licht voor 99 procent de silicium plak in verdwijnt. Slechts één procent van het licht kaatst terug.

Het effect is zo sterk omdat de onderzoekers de afmetingen van de nanodeetjes zo kozen dat er één of meer golflengtes van het licht in pasten. De deeltjes zijn minieme trilholtes die licht heel efficiënt opvangen en vervolgens de silicium plak in geleiden. Het licht wordt dus eerst opgesloten in de nanotrilholtes, draait daarin een paar rondjes, en verdwijnt vervolgens het silicium in. Door de vorm van de trilholtes zo te kiezen werkt dit principe tegelijkertijd voor alle kleuren van het licht, voor het hele spectrum van infrarood tot violet.
 

Nanodeeltjes stempelen

De ontdekking werd mogelijk gemaakt dankzij een nieuwe techniek die de onderzoekers ontwikkelden waarmee ze op een groot oppervlak heel nauwkeurig nanodeeltjes konden ‘stempelen’. Normaal gebeurt de fabricage van dit soort kleine structuren in een dure cleanroom, maar met een nieuw ontwikkelde stempeltechniek, waarbij een rubber stempel met het gewenste patroon over de silicium plak wordt gerold, is het mogelijk dit nu op een goedkope manier over een heel groot oppervlak te doen.

Prof.dr. Albert Polman, de leider van het onderzoeksteam: "Deze nieuwe methode maakt het mogelijk om perfect absorberende zonnecellen te maken. En het werkt niet alleen voor silicium, maar voor alle sterk reflecterende materialen. De stempeltechniek kan eenvoudig als een roll-to-roll proces in een standaard productieproces worden ingepast. Wat ik vooral interessant vind is de totale verrassing; wie had nou gedacht dat je juist door licht te verstrooien het goed kunt controleren. Verstrooien brengen we meestal in verband met wanorde, maar nu leidt het juist tot uitzonderlijke controle over licht." 

Het artikel ‘Broadband omnidirectional antireflection coating based on subwavelength surface Mie resonators’ door Piero Spinelli, Marc Verschuuren en Albert Polman, verschijnt op 21 februari 2012 in de online editie van Nature Communications. DOI 10.1038/ncomms1691