Исследователи факультета машиноведения Массачусеттского Института Технологии (MIT – Massachusetts Institute of Technology), США провели эксперименты, которые показали, что структуры из нанопроволоки имеют очень низкое поглощение излучения в широком диапазоне спектра, что может быть использовано для повышения эффективности фотоэлементов солнечных батарей.

Большинство продаваемых фотоэлементов солнечных батарей используют кремний. В последние годы потребность в солнечных батареях существенно увеличилась, чем взвинтила цены на сырье кремния. Нехватка высококачественного кремния привела к необходимости поиска новой конструкции фотоэлементов, при этом, используя недорогие материалы, например, кремний невысокого качества. Одним из многобещающих кандидатов для солнечных батарей стала конструкция фотоэлементов на пучках кремниевой нанопроволоки, предложенная учеными Массачусеттского Института Технологии (MIT). Фотоэлемент новой конструкции состоит из пучков p-n кремниевых нанопроволок, каждая из которых имеет сердцевину и наружный слой (рис 1). При этом наружный, более темный, слой является кремнием n- типа с добавками фосфора для поглощения электронов, а сердцевина (более светлая) представляет собой кремний p- типа, в который добавлен бор, как донор электронов. Таким образом, каждая из нанопроволочек в пучке имеет p-n переход и является нано фотоэлементом.

Рис. 1. Схема фотоэлемента на кремниевых нанопроволочках. Каждая из проволочек представляет собой нано p-n соединение. Темный наружный слой (оболочка) – кремний n- типа, светлый сердечник – кремний p- типа.

Кремниевые фотоэлементы на нанопроволоках имеют гораздо более короткие p-n переходы, чем тонкопленочные фотоэлементы. В нанопроволоке, возбужденные светом электроны и дырки (носители) проходят очень короткие дистанции перед тем, как попадают на электроды. Это означает более высокую эффективность улавливания носителей заряда в системе сердечник-оболочка нанопроволоки, что в свою очередь, означает большую устройчивость к дефектам материала и позволяет использовать кремний более низкого качества. Структура сердечник-оболочка нанопроволоки отвечает за самый важный параметр фотоэлемента- его общий коэффициент полезного действия. С другой стороны, как отмечают разработчики, эффективность улавливания фотонов такой системой (другой важнейший параметр) пока не определена.

Из-за того, что используемые в конструкции фотоэлемента проволочки имеют наноразмеры, которые меньше длины волны видимого излучения, они сами и их пучок должны иметь оптические свойства, отличающиеся от оптических свойств материала.

Для определения оптического поглощения в структурах, состоящих из пучков нанопроволок кремния были произведен многочисленные расчеты для систем с разной геометрией, изготовленных из проволочек диаметром от 50 нм до 80 нм. Волновые эффекты учитывались путем численного решения полных уравнений Максвелла. Расчеты подтвердили, что структуры, составленные из пучков нанопроволочек, имеют желаемые анти-отражательные свойства в широком оптическом диапазоне длин волн.

Рис. 2. Оптические характеристики пучков нанопроволочек различной толщины. L- длина проволоки. А) Поглощение (Absorptance) нанопроволочек длиной L = 1.16, 2.33, и 4.66 мкм (диаметр проволоки 50 нм, расстояние между проволочками – 100 нм). Для сравнения показано поглощение тонкой пленки (thin film). В) Отражение (Reflectance) и пропускание (Тransmittance) излучения нанопроволоками и тонкой пленкой.

Одним из первых экспериментов было исследование влияния длины проволоки на оптическое поглощение. Рис. 2 демонстрирует поглощение оптического излучения пучком кремниевых проволочек диаметром 50 нм. В эксперименте были выбраны проволочки трех длин: 1,16 нм, 2,33 нм и 4,66 нм с целью проверки зависимости поглощения от объемных свойств системы проволочек. Излучение направлялось в верхнюю часть пучка нанопроволочек в направлении, перпендикулярном оси этих проволочек. Для сравнения на том же графике приведены данные по поглощению тонкой (2,33 мкм) кремниевой пленкой. Графики показывают, что поглощение оптического излучения ограничено в низкочастотной области спектра, преимущественно для более коротких проволочек. Более длинные проволочки имеют более высокие показатели поглощения. С ростом частоты излучения, поглощение быстро растет, достигая плато. Поглощение излучения с большей частотой больше, чем у тонкой пленки, в то время, как в низко-частотной области спектра пленка более эффективна.

Полное поглощение системы определялось по отражению и пропусканию излучения системой. Для понимания тенденций в поглощении оптического излучения пучками нанопроволочек на рис.2 (b) показаны показатели отражения и пропускания для системы нанопроволочек и тонкой пленки. Интересно отметить, что показатель отражения системы нанопроволочек во всем испытанном диапазоне длин волн (частот) излучения существенно ниже, чем у тонкой пленки. В существующих тонкопленочных фотоэлементах такое маленькое отражение можно получить только с использованием специальных анти-отражательных покрытий. Система нанопроволочек имеет более высокое поглощение излучения в высокочастотной области видимого спектра, чем тонкая пленка, благодаря одновременному действию двух факторов: низкой отражательной способности и нулевому пропусканию. В то же время на рис.2 показано, что в низкочастотной области спектра пропускание пучка нанопроволочек выше, чем у пленки. Более высокое пропускание не может быть компенсировано низким отражением, приводя к незначительному поглощению пучком нанопроволочек фотонов с низкой энергией.

На Рис.3 приведены данные по поглощению структур нанопроволочек с различными коэффициентами заполнения. Все структуры имели одинаковое расстояние между проволочками (100 нм) и одинаковую длину (2,33 мкм), изменялся только диаметр использованных проволочек. Из графиков видно, что более высокие коэффициенты заполнения демонстрируют более высокое поглощение в низкочастотной области спектра, в то время как в высокочастотной области спектра наноструктуры с меньшим заполнением поглощают больше света. Варьируя коэффициент заполнения, можно получить наноструктуры с суммарным поглощением, близким к поглощению тонкой пленки.

Рис. 3. Отражательная способность наноструктур с различными коэффициентами заполнения. f – коэффициент заполнения.

However, the less-optimal absorption in the low-frequency regime can be overcome by using longer wires or light trapping.

Таким образом, показано, что структуры, собранные из нанопроволочек кремния имеют преимущество очень небольшой отражательной способности в широком диапазоне видимого спектра, которое может быть получено без специально разработанных анти-отражательных покрытий. Эта малая отражательная способность существенно улучшает эффекты оптического поглощения в высокочастотной (коротковолновой) части видимого спектра, однако в низкочастотной (длинноволновой) части спектра такое улучшение не может быть получено, из-за малой величины коэффициента экстинкции кремния, которая определена как потери излучения на рассеяние и поглощение. Тем не менее, низкое поглощение в низкочастотной области может быть повышено при использовании более длинных проволочек или ловушек излучения.

Дополнительная информация может быть получена на сайте MIT (web.mit.edu/nanoengineering/) и сайте SPIE (http://spie.org/x26848.xml)