Основой солнечного элемента является полупроводник, который преобразует солнечный свет в электричество, зажатый между металлическими контактами, отводящими электрический ток. Но это широко распространенная конструкция имеет серьезный недостаток: блестящая металлическая поверхность на верхней части элемента фактически отражает солнечный свет, не давая ему попасть на полупроводник, который производит электроэнергию, что снижает эффективность элемента.

Ученые Стэнфордского университета нашли решение, как скрыть отражающий верхний контакт и направить свет прямо на нижерасположенный полупроводник. Их исследования, опубликованные в журнале ACS Nano, могут привести к новой парадигме в проектировании и изготовлении солнечных элементов.

> «Используя нанотехнологии, мы разработали новый способ сделать верхний металлический контакт почти невидимым для падающего света», – отмечает ведущий автор исследования, Виджай Нарасимхан, ведущий работу над исследованием в качестве аспиранта в Стэнфорде. – Наш новый метод может значительно повысить эффективность и тем самым снизить стоимость солнечных батарей".

Зеркальный металл

В большинстве солнечных элементов, верхний контакт состоит из металлической проволочной сетки, которая несет электричество к или от устройства. Но эта сетка также мешает солнечному свету достичь полупроводника, который, как правило, изготавливается из кремния.

«Чем больше у вас металла на поверхности, тем больше света вы блокируете», – говорит соавтор исследования Йи Кюи, адъюнкт-профессор материаловедения и конструирования материалов.- Этот свет затем теряется и не может быть преобразован в электричество".

Металлические контакты, таким образом,

«сталкиваются с, казалось бы, непримиримым компромиссом между электропроводностью и оптической прозрачностью», – добавляет Нарасимхан. – Но мы создали наноструктуру, исключающую этот компромисс."

В ходе исследования, команда Стэнфорда поместила золотую пленку толщиной 16 нанометров на плоский лист кремния. Золотая пленка была пронизана множеством упорядоченных наноразмерных квадратных отверстий, но на внешний вид, поверхность выглядела блестящим золотым зеркалом.

Оптический анализ показал, что перфорированная золотая пленка покрывала 65 процентов поверхности кремниевого листа и отражала, в среднем, 50 процентов падающего света. Ученые предположили, что, если каким-либо образом скрыть отражающую золотую пленку, то нижележащего кремниевого слоя будет достигать больше света.

Кремниевые наностолбики

Найденное решение проблемы: создать наноразмерные столбики кремния, которые будут «возвышаться» над золотой пленкой и перенаправлять солнечный свет, прежде чем он попадает на металлическую поверхность.

 Наноразмерные столбики кремния, которые «возвышаются» над золотой пленкой и перенаправляют солнечный свет, прежде чем он попадает на металлическую поверхность. Credit: Vijay Narasimhan, Stanford University

Создание кремниевых наностолбиков, как оказалось, можно сделать одноэтапным химическим процессом.

«Мы погрузили кремний и перфорированную золотую пленку вместе в раствор плавиковой кислоты и перекиси водорода», – рассказывает аспирант и соавтор исследования Томас Хаймел. – Золотая пленка сразу же начала тонуть в кремниевой подложке, и через отверстия в пленке начали появляться кремниевые наностолбики."

В течение считанных секунд, кремниевые столбики выросли до 330 нанометров, превращая блестящую золотую поверхность в темно-красную. Это резкое изменение цвета был явным признаком того, что металл уже не отражает свет.

«Как только начали появляться кремниевые наностолбики, они начали отводить свет от металлической сетки в нижележащую кремниевую подложку,» – объясняет Нарасимхан.

Он сравнил решетку наностолбиков с дуршлагом в кухонной раковине.

«Когда вы включаете кран, не вся вода попадает на отверстия в дуршлаге», – говорит Нарасимхан, – но если поставить над каждым отверстием маленькую воронку, большая часть воды будет течь напрямую. Вот что, по существу, делает наша структура: наностолбики выступают в качестве воронок, которые захватывают свет и направляют его к кремниевой подложке через отверстия в металлической сетке".

Большой импульс

Группа исследователей затем оптимизировала конструкцию элемента в ходе моделирования и экспериментов.

«Солнечные батареи, как правило, затенены металлическими проводами, которые закрывают 5–10 процентов верхней поверхности», – объясняет Нарасимхан. – В нашей оптимизированной конструкции, почти две трети поверхности могут быть покрыты металлом, но потери на отражение составят только 3 процента. Имея так много металла, можно значительно увеличить электропроводность и сделать элементы гораздо более эффективными преобразователями света в электричество".

Например, эта технология может повысить эффективность обычного солнечного элемента с 20 процентов до 22 процентов, что является значительным увеличением, пояснил он.

Исследовательская группа планирует испытать конструкцию на рабочем солнечном элементе и оценить ее эффективность в полевых условиях.

Скрытые контакты

Кроме золота, наноструктурированная архитектура поверхности может задействовать контакты из серебра, платины, никеля и других металлов, говорит аспирант и соавтор Руби Лай.

«Мы называем их скрытые контакты, так как металл скрывается в тени кремниевых наностолбиков», – сказала она. – Не имеет значения, какой тип металла вы внедрили туда. Он будет почти невидимым для входящего света".

Кроме кремния, новая технология может быть использована с другими полупроводниковыми материалами в различных областях применения, в том числе фотодатчиках, светоизлучающих диодах и дисплеях, прозрачных батарейках, а также солнечных элементах.

«В большинстве оптоэлектронных приборов, как правило, вы создаете полупроводник и металлические контакты по отдельности», – поясняет Цуй, со-директор отдела энергетики фотоэлектрического консорциума Bay Area. – Наши исследования предлагают новую парадигму, в которой эти компоненты разработаны и изготовлены вместе, что позволяет создать высокопроизводительный интерфейс".

Видео эксперимента: