Исследователи из Стэнфордского университета (США) сконструировали фотогальванические элементы с неровной поверхностью, которая имитирует лист лотоса.

Традиционные солнечные элементы, изготовленные на основе аморфного кремния, преобразуют излучение в диапазоне длин волн 400–800 нм. К сожалению, значительная часть падающего излучения (около 35%) отражается, что, естественно, снижает эффективность элемента.

Авторы постарались увеличить коэффициент поглощения, создав многослойную структуру на подложке из кварца с конусообразными выступами высотой 150 нм, расположенными на расстоянии 450 нм друг от друга. Кварц покрывался отражающим слоем серебра толщиной 100 нм, который возвращает фотоны в активный полупроводниковый слой гидрированного аморфного кремния (a-Si:H) толщиной 280 нм. Полупроводник был заключен между двумя прозрачными электродами.

Образующиеся на поверхности готового элемента «купола» действовали, по словам авторов, как волноводы, направляя свет к активному слою. Эксперименты показали, что такая конструкция позволяет снизить долю отраженного излучения до 6%, а КПД структуры достигает 5,9% (обычные тонкопленочные аморфные солнечные элементы имеют КПД около 5%).

Вверху: изображения кварцевой подложки (слева) и поверхности готового элемента; масштабная полоска — 500 нм. Внизу: поперечный разрез структуры. (Иллюстрация из журнала Nano Letters)

Бугорки на поверхности элемента напоминают микроскопические выступы на листе лотоса, благодаря которым он приобретает свои выдающиеся водоотталкивающие свойства. Если при создании «куполов» использовать молекулы гидрофобного вещества, элементы становятся самоочищающимися: капли воды, скатываясь по их поверхности, уносят с собой частицы пыли, блокирующие прохождение света.

Эту технологию можно применять и при конструировании элементов на базе широко распространенного поликристаллического кремния, который демонстрирует бóльшую эффективность преобразования, чем аморфный.

Вольт-амперная характеристика созданного элемента (слева) в сравнении с такой же структурой, размещенной на плоской кварцевой подложке (иллюстрация из журнала Nano Letters)