Сверхтонкий гибкий кремний для солнечных батарей

Исследователи из Университета Стэнфорда работают над созданием ультратонких ячеек, которые позволили бы минимизировать расходы на производство солнечных фотопреобразователей. Направление их исследований — повышение эффективности тонких ячеек путём формирования поверхности наноструктур, которые ведут себя как молекулярная зеркальная комната.

«Мы хотим, чтобы свет проводил больше времени внутри солнечного элемента», - говорит профессор материаловедения и инженерии и соавтор обзорной статьи в журнале Nature Materials Марк Бронгерсма (Mark Brongersma).

Бронгерсма и двое его коллег, доцент кафедры материаловедения Яй Цуй (Yi Cui) и профессор электротехники Шанху Фан (Shanhui Fan) изучили сто девять последних научных работ со всего мира. Их интересовало, каким образом разные исследователи пытаются максимизировать столкновения между фотонами и электронами в самых возможно тонких слоях фотоэлектрических материалов. Цель состояла в том, чтобы выявить тенденции и лучшие практические решения, которые могут привести к новым разработкам в отрасли.

Солнечная энергия может быть собрана, когда фотоны света сталкиваются с электронами фотоэлектрического материала и высвобождают их. Перемещаясь по кристаллу, свободные электроны формируют электрический ток.

Современные солнечные батареи довольно тонкие. Они состоят из слоёв фотоматериала, в основном кремния, толщиной в среднем 150-300 мкм, что соответствует толщине двух - трёх человеческих волос.

Уменьшая толщину фотоэлементов, инженеры вынуждены создавать новые наноразмерные фильтры и ловушки, чтобы гарантировать, что фотоны не пролетят сквозь тонкий элемент, не высвободив электроны.

«Много внимания уделяется тому, как используя принципы фотоники управлять световыми волнами наиболее эффективным способом, - говори Фан. - В мире, возможно, сотни групп работают над этим».

В попытках разработать наноструктуры, успешно улавливающие свет, исследователи сталкиваются с огромным числом трудностей. Солнечный свет состоит из различных цветов, которые демонстрирует нам радуга, результат расщепления света капельками атмосферной влаги. Создание наноструктур для удержания фотонов разных цветов — одно из направлений исследований.

Несмотря на трудности, учёные добились успехов. «Мы увидели системы, использующие сотую долю фотоэлектрического материала современных солнечных элементов для получения 60-70% их электрической мощности», - говорит Бронгерсма.

Наиболее распространён такой фотоэлектрический материал, как форма кремния, близкая к той, что используется в компьютерных чипах. Его стоимость занимает 10-20% в стоимости солнечных ячеек. Таким образом, сокращение этих расходов в 100 раз будет иметь заметное влияние на общую экономическую эффективность производства солнечной энергии.

Уменьшение материальных затрат лишь часть выгоды от внедрения сверхтонких солнечных технологий. Ещё одно их преимущество — гибкость. Из-за толщины слоя кремния современные солнечные элементы должны быть жёсткими, чтобы сохранить кристаллическую решётку и не нарушить поток электронов. «При толщине 10 мкм кремний обладает высокой степенью механической гибкости», - объясняет Цуй, ориентируясь на размер менее одной десятой толщины фотоэлектрического слоя современных солнечных батарей. При такой толщине материал можно резать обычными ножницами.

Кремниевые полоски, разработанные в Стэнфорде, используют фотонные ловушки, о которых идёт речь в статье в Nature Materials. По словам Цуй, их эффективность преобразования света в энергию приближается к эффективности жёсткого кремния современных солнечных батарей.