Чтобы создать недорогие и эффективные солнечные батареи, различные исследовательские группы вот уже несколько лет пытаются использовать дешёвый (кремниевый) субстрат, покрытый «лесом» из наностержней, которые не дают свету вырваться с поверхности фотоэлемента. Но пока такие батареи не спешат демонстрировать ожидаемую теоретиками эффективность, часто уступая даже обычным, плоским решениям. Учёные под руководством Йеспера Валлентина (Jesper Wallentin) из Лундского университета (Швеция), кажется, разобрались в причинах неудач и даже предложили «лечение».

По их мнению, малый размер и высокая плотность размещения наностержней часто делают их уязвимыми к дефектам. Причём как к «браку производства», так и к повреждениям, получаемым в ходе эксплуатации.

Исследователи предлагают снизить вероятность возникновения таких дефектов, используя наностержни меньшего диаметра, покрывающие лишь небольшую часть субстрата. И тогда разрушение части наностержней не помешает остальным работать. Кроме того, самогó материала (в качестве которого использовался недешёвый фосфид индия) уйдёт значительно меньше.

А если диаметр наностержней станет меньше длины волны видимого света, появится возможность создать резонанс с падающими на фотоэлемент фотонами и повысить долю тех из них, что используются солнечной батареей для генерации энергии. При этом пиковая производительности наностержней достигается при диаметре в 180 нм (длина волн видимого света — ~400–700 нм).

Рис. 1. Наностержни из фосфида индия имеют диаметр 180 нм, занимая лишь 12% от общей площади экспериментального фотоэлемента. (Фото J. Wallentin et al.).

Сами стержни состоят из трёх слоев — допированного фосфида индия сверху и снизу центра стержня и недопированного отрезка в центре.

Для экспериментального подтверждения теоретических выкладок был создан рабочий прототип, показавший КПД в 13,8%. Учитывая, что до сих пор рекорд для солнечных батарей на наностержнях равнялся 5%, речь идёт едва ли не о прорыве.

Заметим, правда, что плоская индий-фосфидная батарея имеет КПД в 22,1%, однако наностержни занимают лишь 12% площади нового фотоэлемента, так что на единицу площади их уходит в восемь раз меньше. Значительным резервом наращивания эффективности остаётся также применение более дешёвого подстилающего субстрата, который утилизировал бы часть падающего света.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.