Рифленая поверхность повышает эффективность солнечных батарей

Ученые Агентства по науке, технологиям и исследованиям в Сингапуре создали универсальный наноразмерный волновой узор на широкой кремниевой поверхности, сканируя ее фемтосекундным лазерным лучом. Учитывая, что рифленая поверхность гораздо менее рефлексивна, чем гладкая, это простое нововведение может повысить эффективность солнечных батарей, повышая их способность собирать больше солнечного света.

Использование лазеров для получения периодических поверхностных структур в настоящее время является областью интенсивных исследований. Лазерная обработка имеет важное преимущество в том, что нагревает только поверхность материала, в результате чего основные структуры остаются незатронутыми. Тем не менее, многие методы лазерной обработки ограничены: они могут обрабатывать только небольшие участки и оставляют неглубокий рельеф.

Ксинкай Ван и его коллеги из Сингапурского института промышленных технологий и Технологического университета в Наньяне успешно устраняют эти ограничения. Они демонстрируют возможности своей методики, с помощью которой можно получить однородный волновой рисунок на кремниевой подложке площадью 30 миллиметров на 30 миллиметров, со средней глубиной рельефа до 300 нанометров, что примерно в три раза больше, чем у других методов.

«Это увеличение глубины может существенно снизить отражение света и улучшить способность поглощать свет волновой структурой, — отмечает Ван. – Таким образом, если структура используется в фотоэлектрических устройствах, будет захватываться больше света, тем самым повышается эффективность устройства».

Простой и недорогой способ предполагает использование цилиндрической линзы, чтобы расширить фемтосекундный лазерный луч до ширины 50 микрометров, а затем сканировать лучом по всей поверхности.

Поскольку энергия фотонов лазера превышает запрещенную зону кремния, фотоны возбуждают электроны из валентной зоны в зону проводимости. Такие электроны, как правило, ослабляются, передавая свою энергию атомной решетке, тем самым нагревая ее. Однако чрезвычайно короткая длительность импульса означает, что вместо этого они генерируют электронную волну на поверхности. Это в свою очередь создает световую волну, которая препятствует входящему лазерному лучу. Кремний разрушается в местах, где входящие и исходящие световые волны конструктивно взаимодействуют друг с другом, что приводит к рельефному рисунку с бороздками.

Исследователи отмечают, что на рельефной поверхности кремния средний коэффициент отражения снизился с 39,7 % до 12,5 %, что означает, что поглощение света было увеличено на 41 % в результате сильного рассеяния волновой структуры. Этот эффект может быть использован для управления поведением фотонов в солнечных батареях и светоизлучающих диодах.