Исследователи получили гибкие солнечные батареи, выгравировав улавливающие свет наноструктуры на тонких полосках кремния невысокого качества.

Руководитель исследования, Акрам Букай (Akram Boukai), специалист по химии материалов из Университета Мичигана считает, что поскольку для новых устройств преобразования солнечной энергии в электрическую требуется лишь небольшое количество недорогого кремния не слишком высокого качества, новые устройства могут оказаться гораздо более дешевыми, чем жесткие кристаллические кремниевые солнечные батареи, в настоящее время присутствующие на рынке.

Он полагает, что исследователи смогут разработать дешевые и легкие гибкие солнечные батареи, которые можно будет закреплять на поверхности транспортных средств и даже одежды.

Для получения солнечных батарей производителям приходится проводить дорогостоящую обработку технического кристаллического кремния, чтобы довести его до чистоты 99.99999% и выше. Если пренебречь очисткой, загрязнения в кремнии могут стать ловушками для электронов и дырок, в результате чего появляются препятствия для течения электрического тока, и эффективность солнечной батареи понижается.

Рис. 1. Для изготовления новой гибкой солнечной
батареи использованы тонкие полоски недорогого
кремния металлургической чистоты (сверху). На
каждой полоске создана система крошечных кремниевых
колонн, увенчанных наночастицами серебра. (Рисунок из
Nano Lett., DOI: 10.1021/nl3020445).

Букай с коллегами решил уменьшить стоимость солнечных ячеек, для чего исследователи решили использовать поликристаллический кремний металлургической чистоты (всего 99.999%). Этот материал стоит около 5 долларов США за килограмм, или в пять раз ниже, чем кремний для изготовления традиционных солнечных батарей.

Исследователи решили вопрос с примесями в кремнии низкого качества, уменьшим расстояние для перемещения электронов и дырок, чтобы носители заряда встречали на своем пути меньшее количество примесей. Для этого они нарезали листочки кремния толщиной 17 мкм на тонкие полоски.

Для получении солнечных батарей исследователи наносили сотни параллельно расположенных полосок из кремния на гибкую полимерную подложку. Полоски кремния были покрыты слоем блок-сополимера, который самоорганизуется в полые цилиндры, диаметр каждого такого цилиндра составляет 34 нм. На следующем этапе система была обработана слоем серебра толщиной 30 нм, серебро проникало в каждую трубку.

На следующем этапе полимер был удален с помощью промывки толуолом, в результате этого была получена система наночастиц, направляющими для роста которых были полимерные цилиндры. И, наконец, заключительный этап работы заключался в ионном травлении, позволяющей удалить кремний. Наночастицы серебра защищали находящийся под ними кремний, то есть в результате травления была получена система из крошечных кремниевых столбиков, на верхушке которых располагались наночастицы серебра.

Наночастицы серебра абсорбируют свет и направляют его на лежащие под ними кремниевые наностержни, которые также поглощают свет; новая система абсорбирует 95% падающего на нее света, в то время как неструктурированный кремний ультравысокой чистоты поглощает 60% света, а чем больше света поглощает фотогальванический материал, тем выше его эффективность – он может дать большее количество тока.

Эффективность конверсии световой энергии в электрическую составляет 10%.

Это меньше, чем КПД устройств из кристаллического ультрачистого кремния (которая лежит в пределах 15–17%), но выше, чем 8%-ная эффективность солнечных батарей из аморфного кремния – единственных в настоящее время тонкопленочных солнечных батарей на рынке. Букай заявляет, что планирует найти способы увеличить эффективность новой системы.