Как получить гибкие солнечные батареи на недорогом кремнии низкой чистоты

Сотрудники Мичиганского университета (США) представили гибкие солнечные панели, протравив адсорбирующие свет наноструктуры в тонких полосках кремния низкой чистоты. Поскольку такие ячейки используют самый минимум недорогого кремния, они должны быть существенно дешевле солнечных батарей на высокочистом кристаллическом кремнии.

Наиболее вероятные области применения таких панелей — поверхности автомобильных кузовов и даже верхняя одежда. Подробный отчёт о проделанной работе опубликован в журнале Nano Letters.

Для создания солнечных батарей используется очень дорогой производственный процесс, позволяющий добиться получения кристаллического кремния запредельной чистоты (99,9999%). Без должной очистки растворённые в кремнии примеси будут выступать в роли электронных и дырочных ловушек, создавая физические барьеры для протекания электрического тока и тем самым снижая эффективность батареи.

Результат научных изысканий: гибкая солнечная панель на поликристаллическом кремнии низкой частоты (слева); набор кремниевых колонн, полученных травлением (справа) (иллюстрация ACS).

Исследователи из Мичиганского университета поставили перед собой благую цель — найти способ снижения себестоимости солнечных батарей, а начать они решили с использования поликристаллического кремния металлургической чистоты (99,999%). Стоимость этого материала (всего $10 за кг) примерно в пять раз ниже того, что обычно применяется для производства солнечных батарей. Решением проблемы примесей стало укорочение эффективного расстояния, которое должны пробегать электроны и дырки, с тем чтобы встречать на своём пути как можно меньше примесных атомов. Для этого тонкие листы кремния (17 мкм толщиной) были разрезаны на узкие ленты шириной менее 1 мм.

Для создания гибких солнечных ячеек исследователи нанесли сотни параллельных кремниевых ленточек на гибкую пластиковую подложку. Затем кремниевые ленты были покрыты специальным блок-сополимером, который самоорганизовывался в вертикальные цилиндры диаметром 34 нм. После этого на поверхность полученной структуры было произведено осаждение атомов серебра, которые заполнили собой полые полимерные цилиндры. Полимер растворили в толуоле, оставив на поверхности кремния набор серебряных наночастиц в форме близкорасположенных цилиндров. Наконец, используя метод реактивного ионного травления, учёные удалили атомы кремния, находившиеся в промежутках между серебряными цилиндрами, которые сыграли роль надёжной защиты для кремния, расположенного под ними.

Таким образом, травление привело к образованию набора кремниевых колонн (около 17 мкм в высоту), вершины которых венчали серебряные наночастицы.

Наночастицы серебра абсорбируют и проводят солнечные фотоны к подлежащим кремниевым столбам (скорее всего, речь идёт о плазмонном механизме; по крайней мере он объясняет повышение эффективности классических солнечных батарей с помощью металлических наночастиц). Лес из кремниевых колонн захватывает свет, в то время как фотоны света «запутываются» между ними, повышая вероятность захвата. В результате наноструктурированный материал способен абсорбировать до 95% падающего света, что намного превосходит способности обычного неструктурированного кремния (60% при любой чистоте). Чем больше света может поглотить солнечная ячейка, тем выше её эффективность (при прочих равных).

Подведём итог: новая гибкая ячейка на основе дешёвого наноструктурированного поликристаллического кремния конвертирует свет с 10-процентной эффективностью, что меньше 15–17%, характерных для высокочистого кристаллического кремния, но выше 8% эффективности солнечных батарей на основе аморфного кремния.

По словам учёных, они уже нашли способ дальнейшего увеличения эффективности своего детища.

Подготовлено по материалам Chemical and Engineering News.