Создан материал, поглощающий 99% света в заданном диапазоне

Создана нанопластина, способная поглощать почти всё входящее излучение при толщине всего в 1,6 нм. Хотя пока говорить об эффективном преобразовании этой энергии в электрическую не приходится, результат, которого добились учёные из Стэнфордского университета (США) во главе с Карлом Хагглундом (Carl Hagglund), впервые показал, что материалы толщиной много меньше длины волны самогó излучения могут эффективно останавливать его распространение.

В солнечных батареях сегодня полным ходом идёт уменьшение толщины фотоэлемента: это резко снижает стоимость изделия. Но когда толщина преобразующего слоя падает ниже 10–20 нм, КПД сокращается чрезвычайно быстрыми темпами: фотоэлемент начинает пропускать свет просто в силу своей тонкости. Долгое время проблема считалась непреодолимой, но теперь ясно, что это не совсем так.

Стэнфордцы создали тонкие подложки, на которые были нанесены триллионы круглых золотых наночастиц — по сути, наноточек высотой 14 нм и шириной 17 нм.

Идеальная солнечная батарея должна собирать энергию всего видимого спектра, в диапазоне волн с длиной 400–700 нм. Группе г-на Хагглунда пока удалось взаимно расположить наноточки таким образом, что поглощается лишь красно-оранжевый свет с длиной волны около 600 нм.

«Подобно гитарной струне, имеющей резонансную частоту, которая изменяется, когда вы настраиваете гитару, металлические частички тоже имеют резонансную частоту, и её можно "натаскать" на поглощение определённой длины световой волны, — поясняет г-н Хагглунд. — Мы настроили эти оптические качества нашей системы на максимальное поглощение света».

Сами блоки золотых наноточек получены на находящихся рядом мощностях Hitachi при помощи техники блок-сополимерной литографии, а на каждом квадратном сантиметре блока таких точек было более 80 млрд, при общей форме массива частиц, напоминающей соты.

При помощи атомно-слоевого осаждения поверх массива точек наносилось тонкоплёночное покрытие, толщина которого изменятся в разных местах фотоэлемента так, чтобы максимизировать поглощение света именно для волн длиной 600 нм.

В итоге новый материал поглотил 99% света в заданном диапазоне, будучи примерно в 1 000 раз тоньше, чем солнечные батареи, доступные на сегодняшнем рынке. Хотя точки не образовывали сплошного покрытия, их общий объём соответствовал слою толщиной около 1,6 нм — то есть на условный квадратный метр такого покрытия ушло бы 30 мг драгметалла. Как отмечается, золото было использовано для простоты организации эксперимента (высока химическая стабильность), а с оптической точки зрения лучше применять куда более дешёвое серебро.

Увы, пока это не фотоэлемент, ведь поглощение фотонов хотя и происходит, но в металле, а не в полупроводнике. Чтобы сделать на основе такого покрытия полноценный фотоэлемент, нужно добиться поглощения фотонов в слое полупроводника под металлическими наноточками. Впрочем, учёные, ставящие именно эту цель, подчёркивают важность самой возможности поглощения столь тонким слоем столь внушительной доли фотонов заранее выбранной длины волны, что позволяет надеяться на реальность таких солнечных батарей, которые при сопоставимо малой толщине смогут преобразовывать свет с эффективностью не хуже, чем у нынешних «толстых» фотоэлементов.

Но даже в случае успеха такие фотоэлементы потребуется комбинировать — ведь никто не захочет преобразовать в электричество только 600-нанометровый свет. Хотя, конечно, при создании на подобной основе многослойного покрытия оно будет дешевле применяемых сегодня солнечных батарей.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nano Letters.