Бритвенно тонкие солнечные батареи могут быть совсем недорогими, но они слишком тонки, чтобы самостоятельно справиться с эффективным захватом света.

Эффективность — первое, о чём думаешь, когда слышишь слово «фотовольтаика». Но есть и другой немаловажный фактор, о котором почему-то никогда не говорят, — толщина батареи. И на этом фронте есть свои победы. В последние годы учёным удалось разработать несколько путей, позволяющих серьёзно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света.

Рис. 1. Поля солнечных батарей в Техасе (США) (фото iStockphoto).

«Главная цель — найти пути применения столь малого количества материала для абсорбции света», — уверен адъюнкт-профессор Стэнфордского университета (США) Шанхуэй Фан. Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III–IV групп, а также кристаллический кремний, очень дороги. В случае других материалов, например аморфного кремния, цена может быть не столь критична, но несущие заряд электроны и дырки не успевают пройти достаточное расстояние, прежде чем «потеряться» в виде тепла. Очевидно, что чем тоньше будет рабочая среда, тем легче носители заряда достигнут его границ. При этом чем тоньше солнечная батарея, тем выше вероятность того, что фотон пройдет сквозь неё, не успев абсорбироваться.

Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могут иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже выказывает солидный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория г-на Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1–2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменения углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель ещё в 10 раз.

Один из таких методов — плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны, коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Эффект способен резко увеличить рассеяние света внутри батареи, увеличивая вероятность того, что фотон всё-таки будет абсорбирован. Вивиан Ферри, аспирантка Калифорнийского технологического университета (США), сообщила, что её группа создаёт плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Г-жа Ферри утверждает, что такой наноструктурированный продукт производит на 15% больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади, покрытая случайными текстурами.

Рис. 2. Ультратонкая солнечная панель Sanyo. В 2009 году — мировой рекордсмен с конверсией света в 22,8%. (Фото Sanyo).

Ещё один любопытный нанофотонный трюк заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При падении на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешённой зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Земан, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на её задней стороне.

Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток.

Другая фотонно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединен со слоем аморфного кремния. По словам Оунси Эль-Дейфа, исследователя из микроэлектронного центра IMEC в Лёвене (Бельгия), теоретически такой фотонно-кристаллический слой способен увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37%.

К сожалению, всем этим технологиям потребуются годы, чтобы стать коммерческими продуктами. Но, может быть, в этот раз и стоит подождать…