Цветосенсибилизированные тонкоплёночные солнечные элементы дешевле в производстве, чем обычные ячейки из кремния, но они всё ещё относительно неэффективны. Эту неприятность попытались исправить исследователи из Стэнфордского университета (США) под руководством Майкла Макги, которые воспользовались специально спроектированным металлическим отражателем. Им удалось повысить эффективность сенсибилизированных красителей солнечных элементов с твёрдым электролитом на 5–20% (в зависимости от красителя).

Отражатель представляет собой тонкую серебряную плёнку с массивом наноразмерных вмятин. Плёнкой покрывается задняя поверхность ячеек, в результате чего внутри элемента удерживается больше света.

Цветосенсибилизированные тонкоплёночные элементы с эффективностью преобразования света в электричество на уровне 11% недавно вышли на рынок. Но в них используется жидкий электролит, который нестабилен и к тому же может вытечь. Ячейки с твёрдым электролитом до сих пор показывали лишь 5-процентный результат.

Солнечные батареи на основе красителя состоят из полупроводниковых нанокристаллов (обычно из диоксида титана), которые покрыты молекулами красителя и вместе с электролитом зажаты между стеклянными или пластиковыми листами. Краситель поглощает свет и создает электроны, а также положительно заряженные дырки. Кристаллы передают электроны одному электроду для получения электрического тока, а электролит отводит дырки к другому электроду.

Твёрдые электролиты не столь эффективны, как жидкие, потому что в них электроны и дырки рекомбинируют с большей лёгкостью. Чтобы предотвратить это, слой диоксида титана делают очень тонким — около двух микрометров. Но чем тоньше ячейка, тем быстрее свет проходит через неё, не поглощаясь должным образом. Исследования, нацеленные на повышение эффективности этих элементов, как правило, сосредоточены на разработке более сильных красителей и новых типов нанокристаллов. Г-н Макги и его коллеги первыми использовали плазмонные отражатели.

Плазмонами называются кванты колебаний плазмы на поверхности металла при возбуждении светом. Изменяя форму поверхности, можно контролировать тип возникающих плазмонов, что в свою очередь влияет на то, как свет взаимодействует с веществом.

Стэнфордский рефлектор имеет выпуклости, которые создают плазмоны, отражающие некоторые солнечные лучи под углом 90˚. Вместо того чтобы отразиться от серебра и выйти из ячейки, свет рассеивается назад и вперёд внутри клетки, давая красителю больше времени на его поглощение.

Исследователи изготовили своё устройство следующим образом: покрыли стекло с прозрачными проводящими электродами, на которые нанесли слой наночастиц диоксида титана. Затем они взяли кусок кварца, покрытый выступами шириной 600 нм и высотой 200 нм, и прижали его к диоксиду титана, создав в нём крошечные углубления. После этого были добавлены слои краски и серебра.

«Это первый случай, когда плазмонные структуры были применены к твердотельным цветосенсибилизированным солнечным элементам с существенным увеличением эффективности ячейки», — признаёт Кайли Кэчпол, научный сотрудник Австралийского национального университета.

Рис. 1. Наноподушечки на кварцевой пластинке (здесь и ниже фото авторов работы).

Рис. 2. А это нановмятины в диоксиде титана.

Результаты исследования опубликованы в статье:

I-Kang Ding, Jia Zhu, Wenshan Cai, Soo-Jin Moon et. al. Plasmonic Dye-Sensitized Solar Cells. – Advanced Energy Materials. – 2011. V.1. – Issue 1. – P. 52–57.