В новом дизайне солнечных элементов используются башни «нано-Манхэттана» из углеродных нанотрубок.

Уникальные трехмерные солнечные элементы, которые захватывают почти весь падающий свет, смогли повысить эффективность фотоэлектрических (ФЭ) систем, одновременно уменьшая их размер, вес и механическую сложность.

Образец трехмерных солнечных элементов

Новые трехмерные солнечные элементы захватывают фотоны солнечного света, используя множество миниатюрных «башен», которые напоминают высотные здания на городской улице. Элементы могут в ближайшее время найти использование на космическом корабле и позволят улучшить эффективность фотогальванических покрытий, что даст возможность работы в широком диапазоне применений.

“Наша цель состоит в том, чтобы собрать каждый фотон, который падает на наши элементы, — сказал Джуд Реди, старший инженер-исследователь из Лаборатории электрооптических систем Технологического исследовательского института Джорджии (GTRI).— Захватывая больше света в наших трехмерных структурах, мы можем использовать намного меньшие фотогальванические системы. Для спутника или другого космического корабля это означает, что понадобится меньше веса и места.”

Трехмерный дизайн был описан в мартовском выпуске 2007 журнала JOM. На технологию подан патент. Фотогальванические элементы GTRI заманивают в ловушку свет между «башнями», которые составляют приблизительно 100 мкм в высоту, площадью 40 мкм на 40 мкм и 10 мкм между — и построены из миллионов вертикальных углеродных нанотрубок. Обычные плоские солнечные элементы отражают существенную часть света, который падает на них, уменьшая количество поглощенной энергии.

Поперечное сечение «башни» из углеродных нанотрубок демонстрирует слой покрывающего материала

Поскольку «башни» могут поглощать свет, падающий под многими различными углами, новые элементы остаются эффективными даже в рассеянном и отраженном свете. Это позволит их использовать на космическом корабле без механических систем прицеливания, которые поддерживают постоянную ориентацию к солнцу, уменьшая вес и сложность — и улучшая надежность.

“Эффективность наших элементов увеличивается, когда солнечный свет перестает падать перпендикулярно, таким образом мы, возможно, не нуждаемся в механических частях, чтобы вращать наши элементы,” — отметил Реди.

Способность трехмерных элементов поглощать фактически весь свет, который падает на них, также позволяет усовершенствовать эффективность, с которой элементы преобразовывают фотоны в электрический ток.

В обычных плоских солнечных элементах фотогальванические покрытия должны быть достаточно толстыми, чтобы захватить фотоны, энергия которых тогда освобождает электроны фотоэлектрических материалов, создавая электрический ток. Однако каждый покинувший свое место электрон оставляет позади «дырку» в атомной решетке. Чем большее расстояние требуется электрону, чтобы выйти из материала ФЭ, тем более вероятно, что он рекомбинирует с другой дыркой, уменьшая электрический ток.

Поскольку трехмерные элементы поглощают больше фотонов, чем обычные, они могут быть сделаны более тонкими, позволяя электронам быстрее покидать материал, уменьшая вероятность рекомбинации. Это повышает “квантовую эффективность” — отношение поглощенных фотонов к освобожденным электронам.

Изготовление элементов начинается с кремниевой подложки, которая может также служить нижним электродом солнечного элемента. Исследователи сначала покрывают подложку тонким слоем железа, используя процесс фотолитографии, который может создать широкое разнообразие шаблонов. После шаблонную подложку помещают в печь, нагретую до 780 градусов Цельсия. Затем запускают газообразные углеводороды, которые разлагаются на углерод и водород. В процессе, известном как химическое разложение пара, на железной подложке вырастает множество многостенных углеродных нанотрубок.

После того как углеродные «башни» выращены, исследователи используют процесс, известный как молекулярная пучковая эпитаксия, чтобы покрыть их теллуридом кадмия (CdTe) и сульфид кадмия (CdS), которые служат донорным и акцепторным слоем. Сверху все покрвается тонким слоем окиси индия и олова, проводящего материала, который служит верхним электродом элемента.

В законченных элементах углеродные нанотрубки служат и как поддержка трехмерным массивам, и как проводник, соединяющий ФЭ материалы с кремниевой подложкой.

Исследователи использовали для опытных образцов кадмий, потому что работали с ним ранее. Но выбор налучшего материала для определенных применений будет целью будущих исследований. Реди также хочет изучить оптимальные высоты и промежутки для башен и определить компромисс между промежутками и углом, под которым падает свет.

А пока изобретение ждет свого коммерческого использования.

Автор перевода – Дмитрий Лещев