Suttogó nanogömbökkel javul a napelem

Ha filmréteg helyett parányi gömbök borítják a napelem felületét, akkor ugrásszerűen megnő a hatásfoka: a gömbök ugyanis csapdába ejtik a fényt. A Stanford egyetem mérnökei a közismert "suttogó karzat" jelenségből indultak ki, amely rendszerint megkeseríti a színészek és hangmérnökök életét.

Egy akusztikai jelenség, a kupolahatás alkalmazásával fokozzák a napelemek hatásfokát az amerikai Stanford Egyetem mérnökei. A csak pásztázó elektronmikroszkóppal látható szilíciumgömbökben hang helyett fény örvénylik: amennyiben ugyanis a fénypászma többször is visszaverődik a gömb homorú belső felületén, akkor hosszabb ideig tartózkodik a gömbben, amely így többet képes elnyelni belőle.

Egy magas kőkupola alatt megállva a fal felé suttogott beszédet tisztán lehet hallani a szemközti falnál is: a suttogó karzatnak nevezett jelenség miatt a kupola visszaveri, felerősíti a hangot. Ez egy hangversenyteremben kiküszöbölendő probléma, mert növeli az utózengési időt, élvezhetetlenné teszi a zenét. A suttogó nanogömbök esetében azonban a rezonálás kifejezett előny, hiszen az újra meg újra visszaverődő fénysugár akár 75 százalékkal is növeli a fényelnyelés mértékét. (A nanométer a milliméter egymilliomod része, vagyis 10^-9 méter.)

Pásztázó elektonmikroszkópos felvétel egy rétegnyi szilícium nanogömbről

A hagyományos vékonyfilmes napelem hatásfoka 7-12 százalék, a szilíciumkristályos technológia 15-18 százalékra képes, míg a három rétegben fölragasztott nanogömbök a laboratóriumi kísérletekben a napsugarak akár 75 százalékát is elnyelték. Ráadásul lényegében mindegy, milyen beesési szögben éri a fény a nanogömböket: így tehát olyan rugalmas felületen is jó hatásfokkal bevethetők, mint egy hegymászó napelemes hátizsákja, vagy egy fotovoltaikus hajóvitorla.

"Ez teljesen új módja a széles hullámhosszú fény abszorpciójának" - mondta Yan Yao kutatómérnök, az eljárást bemutató tanulmány társszerzője. Szerinte az elgondolás másutt is bevethető, ahol szintén nagy jelentősége van a fényelnyelési képességnek, például a mesterséges fotoszintézis, a napfény segítségével előállított szintetikus üzemanyagok vagy az optikai impulzusokat elektromos jelekké alakító fotodetektorok terén.

Így lép be a gömbbe a felülről lefele terjedő fény (naranccsal és vörössel jelölve)

A nanoméretű gömbök készítéséhez miniatűr üveggömböket szilíciummal vonnak be, majd hidrofluorsavval kimaratják a megszilárdult héjból az üvegcseppet. Az üres gömböket egymás mellé rögzítik, és kész a fénycsapda. A gömbökben ide-oda verődő fény energiáját fokozatosan nyeli el a szilícium, a gömbben töltött idővel egyenesen arányban nő az abszorbeált fény mennyisége.

"A nanogömbökből álló napelemhez a hagyományos berendezés alapanyagigényének huszada is elegendő, ami tehát huszadára csökkenti az előállítási költségeket, egyszersmind a napelem tömegét" - mondta a tanulmány másik szerzője, Jie Yao kutatómérnök, a Stanford doktori hallgatója. A költségtényező már csak azért is fontos, mert minél jobb teljesítményt kell a napelemnek elérnie (mondjuk egy űrszonda esetében), annál drágább alapanyagok szükségesek hozzá, például tellúrium vagy iridium.