Один из способов собрать больше солнечной энергии – убедиться, что излучение падает на солнечную панель под идеальным углом. Это означает отслеживание движения светила с соответствующим перемещением плоскости панели или использование комплексной оптики для перенаправления лучей, если поверхность с солнечными ячейками неподвижна. Исследователи из Университета Иллинойса (University of Illinois) предложили другое, инновационное решение: самосборные сферические ячейки, которые способны собирать большее количество энергии, чем плоские поверхности.

Изменение формы – это относительно простой путь решения проблемы концентрации падающего излучения, но реализовать его в случае фотоэлектрических устройств до новой разработки было весьма сложно. Микромасштабные ячейки произведены с использованием обычного литографического процесса, скомбинированного с операциями по самосборке. Если эффективность подобных решений будет доказана на практике, появится потенциальная возможность сформировать из них большие массивы с такой же выходной мощностью, как в случае обычных солнечных ячеек, но меньший требуемый объём кремния позволит снизить стоимость.

Вместо большой пластины с полупроводниковыми элементами, покрытой концентрирующими линзами и оснащённой моторами для её перемещения, мы стремимся создать компактные ячейки с аналогичной мощностью, – объясняет задачу профессор химии Ральф Наззо (Ralph Nuzzo).

Изогнутые поверхности собирают больше света по сравнению с плоскими благодаря увеличенной площади. Но изготовление солнечных ячеек с отличной от ровной поверхностью сталкивается со сложностями в виде ограничений производственных процессов, использующих полупроводники. Поэтому возглавляемая Наззо группа избрала путь самостоятельного преобразования формы плоскими листами в микромасштабные трёхмерные элементы. Реализация проекта началась с точной обработки тонкой высококачественной кремниевой заготовки. Литография позволила получить тонкую двумерную структуру, которой исследователи придали форму цветка. Внутри клейким веществом крепится небольшой кусочек стекла, помогающий сохранять принимаемую форму. Наконец, по мере испарения размещённой в центре «цветка» капли воды силы поверхностного натяжения заставляют «лепестки» подниматься, в результате появляется близкая к сфере структура.

Сложность в том, чтобы заставить материалы изменяться предсказуемым образом. Исследователи создали математические модели, помогающие прогнозировать механические свойства кремниевых элементов с разнообразной формой и толщиной, а также их взаимодействие с водой, которое можно регулировать химической обработкой поверхности. После образования сферы добавляются электрические контакты. Итогом всей работы стали микроскопические сферические солнечные ячейки, выступившие доказательством функциональности «оригами», как называет разработку Наззо. Та же техника использовалась для получения цилиндрических ячеек. Устройства Наззо конвертируют всего 1% света в электричество – низкая эффективность даже для фотоэлектрического преобразования. Однако конечный результат превосходит показатели изготовленных теми же относительно грубыми техпроцессами плоских ячеек из того же количества кремния. По словам учёных, разработанная ими методика может быть применена к другим материалам помимо кремния, а форма ячеек не ограничена сферой и цилиндром.

Есть и другие способы увеличения количества собираемого света, такие как использование антиотражающих покрытий и текстурирование поверхностей. Но главное преимущество новой методики – меньший объём требуемого материала. На плоские солнечные ячейки толщиной в несколько микрометров нельзя нанести текстуру, а антиотражающие плёнки усложняют производство и добавляют стоимость. Самосборка, по словам Наззо, предлагает лучшую альтернативу. В настоящий момент исследователи трудятся над совершенствованием технологического процесса.

Денис Борн