17 feb. 1999
3 minuten
Een onderzoeksgroep van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) heeft een methode ontwikkeld om met halfgeleider nanodraden een ultrahoge materiaalefficiënte zonnecel te maken. Als deze bovenop een traditionele op silicium gebaseerde zonnecel wordt geplaatst, kan dit de efficiëntie van de huidige Si-zonnecellen tegen lage kosten mogelijk verdubbelen.
Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Photonics.
"We hebben een nieuwe methode om galliumarsenide (GaAs) materiaal op een zeer effectieve manier te gebruiken door middel van nanostructurering, zodat we zonnecellen veel efficiënter kunnen maken met slechts een kleine fractie van het materiaal dat normaal wordt gebruikt", zegt hoofdontwikkelaar Anjan Mukherjee.
Galliumarsenide (GaAs) is het beste materiaal voor het maken van hoogrenderende zonnecellen vanwege de buitengewone lichtabsorptie en elektrische eigenschappen. Het wordt vaak gebruikt om zonnepanelen te maken, voornamelijk voor gebruik in de ruimte.
Hoogwaardige GaAs-zonnecelcomponenten zijn echter vrij duur om te maken, waardoor er een vraag is ontstaan naar technieken die het gebruik van het materiaal kunnen verminderen.
In de afgelopen jaren is het duidelijk geworden dat een nanodraadstructuur de efficiëntie van zonnecellen kan verbeteren in vergelijking met standaard vlakke zonnecellen, zelfs als er minder materiaal wordt gebruikt.
"Onze onderzoeksgroep heeft een manier gevonden om een zonnecel met een ultrahoge vermogen-per-gewichtsverhouding te maken die meer dan 10 keer efficiënter is dan welke andere zonnecel dan ook, door GaAs te gebruiken in een nanodraadstructuur", zegt Helge Weman, een professor bij de afdeling elektronische systemen van NTNU.
De methode
GaAs-zonnecellen worden meestal gekweekt op een dik en duur GaAs-substraat, waardoor er weinig ruimte is voor kostenbesparing. "Onze methode maakt gebruik van een verticaal staande halfgeleider nanodraad-arraystructuur op een goedkoop en voor de industrie gunstig Si-platform om de nanodraden te laten groeien," zei Weman.
"De meest kosteneffectieve en efficiënte oplossing is om een dual tandem-cel te kweken, met een GaAs-nanodraadcel aan de bovenkant en een onderste Si-cel, waardoor het gebruik van een duur GaAs-substraat wordt vermeden. We hebben gewerkt aan het minimaliseren van de kosten van het kweken van de beste GaAs-nanodraadcel, omdat de fabricagekosten van GaAs een van de grootste problemen zijn die de technologie momenteel tegenhouden", legt Weman uit.
"De kleine voetafdruk van de nanodraadstructuur biedt een bijkomend voordeel, omdat het zorgt voor hoge kwaliteit in kristallen in de nanodraad en in de interface met het silicium. Dit helpt de prestaties van de zonnecel te verbeteren", zegt Bjorn-Ove Fimland.
De ontwikkeling van deze technologie kan eenvoudig en kosteneffectief zijn met de juiste investeringen en R&D-projecten op industriële schaal. "We kweken de nanodraden met behulp van een methode genaamd MBE (moleculaire bundelepitaxie), wat geen hulpmiddel is dat materialen in een hoog volume kan produceren. Het is echter mogelijk om deze op nanodraad gebaseerde zonnecellen op grote schaal te produceren met behulp van een hulpmiddel op industriële schaal zoals MOCVD (metaal-organische dampafzetting)", zei Mukherjee.
Door dit product bovenop een Si-cel te integreren, kan de efficiëntie van de zonnecel worden verbeterd tot wel 40% – wat een verdubbeling van de efficiëntie zou betekenen in vergelijking met de huidige commerciële Si-zonnecellen.
Geschikt voor ruimtereizen
De onderzoekers zeggen dat hun aanpak kan worden aangepast zodat de nanodraden op verschillende substraten worden gekweekt, wat de deur naar vele andere toepassingen zou kunnen openen.
"We onderzoeken het kweken van dit type lichtgewicht nanodraadstructuur op atomair dunne tweedimensionale substraten zoals grafeen. Dit zou enorme kansen kunnen bieden om lichtgewicht en flexibele zonnecellen te produceren die kunnen worden gebruikt in zelfaangedreven drones, microsatellieten en andere ruimtetoepassingen", aldus Mukherjee.
Anderen lazen ook
