Наноструктуры — очередная надежда в мире солнечных батарей

Бритвенно тонкие солнечные батареи могут быть совсем недорогими, но они слишком тонки, чтобы самостоятельно справиться с эффективным захватом света.

Эффективность — первое, о чём думаешь, когда слышишь слово «фотовольтаика». Но есть и другой немаловажный фактор, о котором почему-то никогда не говорят, — толщина батареи. И на этом фронте есть свои победы. В последние годы учёным удалось разработать несколько путей, позволяющих серьёзно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света.

Рис. 1. Поля солнечных батарей в Техасе (США) (фото iStockphoto).

Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могут иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже выказывает солидный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория г-на Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1–2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменения углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель ещё в 10 раз.

Один из таких методов — плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны, коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Эффект способен резко увеличить рассеяние света внутри батареи, увеличивая вероятность того, что фотон всё-таки будет абсорбирован. Вивиан Ферри, аспирантка Калифорнийского технологического университета (США), сообщила, что её группа создаёт плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Г-жа Ферри утверждает, что такой наноструктурированный продукт производит на 15% больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади, покрытая случайными текстурами.

Рис. 2. Ультратонкая солнечная панель Sanyo. В 2009 году — мировой рекордсмен с конверсией света в 22,8%. (Фото Sanyo).

Ещё один любопытный нанофотонный трюк заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При падении на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешённой зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Земан, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на её задней стороне.

Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток.

Другая фотонно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединен со слоем аморфного кремния. По словам Оунси Эль-Дейфа, исследователя из микроэлектронного центра IMEC в Лёвене (Бельгия), теоретически такой фотонно-кристаллический слой способен увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37%.

К сожалению, всем этим технологиям потребуются годы, чтобы стать коммерческими продуктами. Но, может быть, в этот раз и стоит подождать…

Источник(и):

1. IEEE Spectrum

2. compulenta.ru

http://www.nanonewsnet.ru/news/2012/nanostruktury-ocherednaya-nadezhda-v-mire-solnechnykh-batarei