Испытана солнечная батарея с рекордным захватом фотонов

Опытный прототип эффективной солнечной батареи, содержащей примерно в 50-100 раз меньше кремния, чем классическая, да к тому же батареи гибкой удалось получить благодаря "свежему" сочетанию известных материалов и хитроумному структурированию ячейки. Несколько таких образцов построены в Калифорнийском технологическом институте (Caltech).

Поверхность новой солнечной батареи под микроскопом (фото Caltech/Michael Kelzenberg).

Новый массив поглощает до 96% солнечных лучей на одной из длин волн и солидные 85% от всего падающего солнечного света. Это рекорд для материалов, созданных специально для повышения доли света, "съедаемого" фотоэлектрическим преобразователем. Как отмечает один из авторов разработки, Гарри Этвотер (Harry Atwater), многие материалы хорошо поглощают свет (чёрная краска хотя бы), но они не генерируют ток.

В данном случае за великолепным захватом падающих лучей следует и генерация носителей заряда. Опыт также показал очень высокие внешнюю и внутреннюю квантовую эффективность использованного полупроводника при поглощении им фотонов, иными словами — прототип батареи обладает всеми задатками, чтобы при должной доводке показать очень высокий суммарный КПД.

Но что удивительнее всего, в ряде построенных образцов такое эффективное поглощение работало при том, что собственно кремниевое покрытие занимало лишь от 2% до 10% общей площади батареи (а в основном — менее 5%), равно как и менее 5% от объёма рабочего слоя. Практически всё остальное в новой системе занимает простой прозрачный полимер. Секрет такого "чуда" — в целой армии микроскопических колонн (или проводков) из кремния, установленных перпендикулярно основанию панели.

Схема "ловушки" для солнечных лучей, построенной в Калифорнийском технологическом (иллюстрация Caltech/Michael Kelzenberg).

Сама идея структурирования поверхности солнечной ячейки на микро- и даже наноуровне для радикального роста усвоения света — не нова. В 2007 году с этой целью учёные построили "Наноманхэттен" из углеродных нанотрубок, а в 2008-м многослойное покрытие из "лесов", "деревья" в которых представляли собой наностержни из диоксида титана.

Однако, авторы новой работы довели проект такого рода до совершенства. Они поставили множество опытов с разными параметрами "колонн" (остановились на диаметре 1 микрометр при длине 30-100 мкм) и расстоянии между отдельными "колоннами". Учёные выяснили, что выгодно не сближать микропроводки слишком тесно — прозрачное пространство между ними хорошо работает на многократную трансляцию лучей — те фотоны, что не поглощаются кремниевыми стержнями, отражаются не вверх, а в стороны — на многочисленные соседние "колонны".

Кроме того, оказалось, что новая батарея лучше воспринимает свет, падающий под самыми разными углами, нежели батарея классическая, чувствительная к точному нацеливанию на Солнце.

Пока технология апробирована только на совсем крошечных образцах (поперечником в десяток миллиметров). Следующим шагом исследователей будет построение аналогичных преобразователей более крупного размера и их тестирование.

Микрофотографии массива кремниевых "деревьев", застывших словно в желе в прозрачном полимере. На цветной врезке – набор из нескольких образцов новых ячеек, "выпеченных" по несколько отличающимся рецептам. Разница в поглощении света видна невооружённым глазом (фотографии Michael Kelzenberg et al.).

Детали разработки и опытов раскрывает статья в Nature Materials и пресс-релиз института.