Stanfordi Ülikooli teadlaste sõnul neelavad ülõhukesed päikeseelemendid valgust tavapärastest kallitest ränipõhistest elementidest efektiivsemalt, sest valgus käitub nanomeetrises skaalas erinevalt. Teadlaste arvutuste kohaselt neelab õigesti koostatud mitmest õhukeste kilede kihist koosnev süsteem päikesevalgust seniarvatust kuni 10 korda paremini.
Skemaatiline joonis õhukesest orgaanilisest kilest päikeseelemendist.
Uurimustööst selgub, et väga õhukeste polümeerkilede sees rikošetina liikuv valgus käitub teisiti kui paksemates kiledes. Et ületada valguse kiles kinnihoidmise aja teoreetilist piiri, kasutatakse nn. “valguse lõksupüüdmist”. “Mida kauem footon elemendis kinni on, seda suurema tõenäosusega ta ka neeldub,” selgitas Shanhui Fan, elektriinseneeria kaasprofessor. Mingi materjali efektiivsus valguse neelamisel määrabki aga ära kogu päikeseelemendi energiamuundamise efektiivsuse, kirjutab physorg.com.
Valguse lõksupüüdmist on päikeseenergia tehnoloogiates juba kaua kasutatud, et efektiivsust ei ole siiani kindlast piirist enam kõrgemaks viia. Nüüdseks on aru saadud, et materjalis liikuva valguse kiirust piirab otseselt materjali omadustest sõltub füüsiline piirang.
Zongfu Yu ning Fan otsustasid uurida, kas piirang kehtib ka nanoskaalas materjalide puhul. Minnes üle nanoskaalasse muutub eriti oluliseks valguse laineolemus. Uurides valguse lainepikkustest õhemaid materjale selgus, et footoneid saab hoida lõksus palju pikema aja vältel, suurendades seeläbi elemendi energianeelamise efektiivsust.
,,Nanoskaalas lõksupüüdmise kasutegur, milleni me jõudsime, on üllatavalt suur,” sünas Yu. Kõige efektiivsema struktuuri olemuse tegi Yu kindlaks numbriliste simulatsioonide abil arvutil. Parimaks lahenduseks osutus kombinatsioon erinevatest õhukese orgaanilise kile ümber mähitud materjalikihtidest. Orgaaniline õhuke kile asetati kahe kattekihi vahele, mis pärast valguse sisenemist materjali tõkestava seinana käitus. Ülemise kattekihi peale asetati lisaks ebatasase pinnaga kiht, mille eesmärgiks on suunata valguskiired erinevatesse suundadesse.
Varieerides kihtide parameetreid, õnnestus teadlastel saavutada makroskaala piiriga võrreldes 12-kordne neeldumisefektiivsuse tõus.
Nanoskaalas päikeseelemendid on odavamad toota, sest orgaaniliste õhukeste polümeerkilede valmistamine on lihtsam ning vajatavad kogused on väiksemad.
Teadusartikkel “Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells“