A hagyományos napelemek gyártási költségeinek negyven százalékát a nagy tisztaságú szilícium összetevők teszik ki, így a kutatók régóta dolgoznak azon, hogyan lehetne a legkevesebb szilícium felhasználása mellett a legtöbb energiát termelni. A MIT kutatói által kidolgozott módszer az ígéretek szerint 90 százalékkal csökkenti a felhasznált szilíciumréteg vastagságát a hatékonyság romlása nélkül, így jelentős hatással lehet az iparágra.

A titok nyitját a szilícium felszínébe vájt aprócska, piramisszerű mélyedésekben kell keresnünk. Ezek a mélyedések, amelyek a méter milliomod részénél kisebb átmérőjűek, ugyanolyan hatékonyan ejtik csapdába a napfényt, mint a harmincszor ilyen vastag hagyományos, tömör szilíciumrétegek. A kutatók a projekt során számos különféle „mintázatot” kipróbáltak, és eddig ez a verzió bizonyult a legjobbnak. A módszerről részletesen a Nano Letters oldalain számolnak be.

Anastassios Mavrokefalos, a kutatás vezetője elmondta, hogy a technológiával jelentősen növelhető lesz a vékonyfilm napelemek hatásfoka. Ami talán még fontosabb, a szilícium mennyiségének csökkentésével sokkal olcsóbbá válhat a napelemek gyártása. Ezzel már korábban is próbálkoztak, de az eddigi eredmények azt mutatták, hogy ha túl vékony a szilíciumréteg, akkor kevésbé képes elnyelni a fényt, vagyis kevesebb energiát termel.

A napelemek működése két alapvető lépésből áll: először is szükséges, hogy a látható fény beeső részecskéi, a fotonok elnyelődjenek az anyagban, ne pedig visszaverődjenek róla. A második lépésben az elnyelt fotonok hatására atomjuktól elszakadó elektronoknak el kell jutniuk egy vezetékig, amelyben elektromos áramot kelthetnek, és mindezt csak akkor tudják megtenni, ha út közben más atomok nem fogják be őket.

Sajnálatos módon a foton jobb elnyelődését biztosító módszerek, például a felszín felületének növelése szilícium nanoszálakkal, jelentősen megnehezítik a második lépés végrehajtását, mivel a felülettel nő annak az esélye is, hogy a felszabaduló elektronok befogódnak, mielőtt hasznosításra kerülhetnének.

Az új metódus megoldja ezt a problémát, mivel az „inverz nanopiramisok”, ahogy a kutatók hívják a mélyedéseket, jelentősen növelik a foton elnyelődésének esélyét, de csak 70 százalékkal növelik meg a felületet, így az elektronok kisebb eséllyel „tévednek el”. A technológia révén egy mindössze 10 mikrométer vastagságú kristályos szilíciumréteg, ugyanolyan hatékonyan nyeli el és hasznosítja a napfényt, mint a nálánál harmincszor vastagabb hagyományos réteg tenné.

A alapanyag költségeinek csökkenésén kívül a módszer alkalmazásával jelentősen redukálódik a napelemek tömege is, ami tovább csökkenti az árakat, hiszen kevesebbet kell költeni keretekre és tartószerkezetekre, valamint olcsóbban megoldható az installálás is.

A mélyedéseket egy, a szilícium chipek gyártásánál már jelenleg is használatos technológiával, az interferencia litográfia módszerével vájják bele az anyagba, és a metódus alkalmazásával nagy felületek kezelhetők egyszerre, így a mintázat létrehozása viszonylag olcsón megoldható.

A kutatók egyelőre csak az első lépést tették meg az új típusú napelemek létrehozása felé: igazolták, hogy a mintázattal ellátott szilíciumréteg hatékonyabban nyeli el a fényt. A következőkben fog megtörténni a tényleges cellák megalkotása, és annak megmutatása, hogy a rendszer valóban versenyképes a hagyományos napelemekkel.

A szakértők szerint az újítás révén akár 20 százalékos hatásfok is elérhető lehet. A jelenlegi legjobb egykristályos szilícium napelemek laboratóriumi körülmények között a beeső fény energiájának körülbelül 25 százalékát alakítják át elektromos energiává, a létező technológiák fejlesztése révén elméletileg 31 százalékos maximális hatásfok érhető el, így ha valóban tudja hozni a 20 százalékot az olcsóbban előállított és könnyebb napelem, azzal abszolút lesz helye a piacon. A tényleges tesztelés előtt persze messzemenő következtetéseket nem lehet levonni, de kétségkívül lesz mire várni, ami a folytatást illeti.