Эффективное и недорогое извлечение электроэнергии из солнечного света – проблема, имеющая огромное значение для энергетики, технологии и охраны окружающей среды. Новый подход к решению этой проблемы имеет большой потенциал для существенного повышения эффективности фотоэлементов.

Решение, предложенное голландскими учеными, опубликовано в журнале Оптической Ассоциации США Optics Express (K. R. Catchpole and A. Polman. Plasmonic solar cells, – Optics Express, Vol. 16, Issue 26, pp. 21793–21800 doi:10.1364/OE.16.021793).

Как и растения, фотоэлементы превращают свет в энергию. Растения осуществляют процесс конвертации внутри растительной материи, в то время как фотоэлементы используют полупроводниковые структуры, легированные дополнительными атомами. Современные фотоэлементы имеют достаточно невысокую эффективность преобразования падающего света. Одна из основных причин заключается в том, что часть излучения, попадающего на приемную площадку фотоэлемента, отражается и рассеивается. Вторая проблема заключается в том, что солнечный свет имеет широкий оптический спектр, а все известные на сегодня фотоэлементы имеют различную чувствительность и, соответственно, эффективность на разных длинах волн воспринимаемого излучения.

Новый нанотехнологический подход предлагает меры для устранения указанных недостатков. Ключевым моментом нового исследования является создание некоего очень маленкого электрического возмущения, известного как «поверхностный плазмон».

Плазмон – квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. При попадании на поверхность раздела двух сред различной физической сущности, например, полупроводник-металл, свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, потому что электроны в металле экранируют электрическое поле в световой электромагнитной волне. Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, потому что электроны не могут достаточно быстро ответить, чтобы экранировать его. Свет с «резонансной» частотой рассеивается особенно сильно.

Физики из Нидерландов Кайли Кэтчпол (Kylie Catchpole) и Альберт Полман (Albert Polman) определили, что происходит на границе раздела двух сред, если поверхность фотоэлемента будет покрыта тонким слоем наночастиц металла. Применение наночастиц заставляет свет, попадающий на фотоэлемент, рассеиваться внутри покрытия. При этом, увеличивается эффективность захвата фотонов приемником излучения. Варьируя применяемый материал и размеры наночастиц, можно существенно повысить эффективность преобразования света на длинах волн с минимальной чувствительностью.

Представленная работа была поставлена в Институте Атомной и Молекулярной Физики (Institute for Atomic and Molecular Physics); исследователи показали, что при использовании новой технологии эффективность захвата длинноволнового излучения в видимой области спектра (красный цвет) может быть повышена в 10 раз. В предыдущих работах тех же авторов уже было показано, что общая эффективность захвата света для всего спектрального диапазона при использовании покрытий из наночастиц может быть увеличена на 30 процентов.

По мнению авторов, понадобится примерно три года для того, чтобы доработать технологию до промышленного образца фотовольтаического приемника излучения. Важной деталью плазмонных фотоэлементов является то, что эта технология может быть использована приментельно к любому типу фотоэлементов, включая типовые кремниевые или более новые тонкопленочные приемники излучения.

Евгений Биргер