Петер Крогстроп из Нанотехнологического центра Института Нильса Бора (Дания) вместе с коллегами и учёными из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) обнаружили, что стоячее нановолокно обладает необычной способностью самостоятельно концентрировать солнечное излучение, получая куда больше света, чем должно, исходя из его площади.

Солнечные элементы, изготовленные на основе нанопроволоки вместо традиционных металлических проводников, могут увеличить количество получаемой батареей энергии в 15 раз. Проводник нанометровых размеров обладает уникальными свойствами поглощения света.

Рис. 1. Экспериментальный образец фотоэлемента на основе нанолеса стоячих волокон (здесь и ниже иллюстрации Niels Bohr Institute).

При исследовании свойств фотоэлемента на базе арсенида галлия, выращенного на кремниевой основе и выполненного в форме стоячего нановолокна, что в 10 тыс. раз тоньше волоска, при обычном солнечном освещении от группы таких волокон был получен ток, соответствующий 180 мА с одного квадратного сантиметра. Это показывает, что фактически каждое нановолокно получило свет, равный тому, что должен приходиться на 15 их суммарных сечений.

Очевидно, галлий-арсенидное волокно каким-то образом концентрирует свет. Наиболее вероятным механизмом этой концентрации исследователи считают резонансный. Поскольку сечение волокна намного меньше длины волны видимого света, то, сталкиваясь с ним, световые волны входят в резонанс, и часть соседних с нановолокном волн в итоге попадают в него, а не на кремниевую подложку, которая это волокно окружает.

Рис. 2. Схема одиночного стоячего нановолокна на кремниевом субстрате.

Учёные отмечают, что таким образом предел Шокли — Квайссера для однополосного фотоэлемента, равный 33,7%, явно побит.

В течение последних нескольких лет исследовательские группы работали над повышением качества нанопроволочных кристаллов с цилиндрической структурой диаметром 1/10 000 человеческого волоса. Проволока нанометрового диаметра может найти широкое применение в производстве не только солнечных элементов, но также квантовых компьютеров будущего и других электронных устройств.

«Интересно расширять известные теоретические границы. Результаты исследования окажут большое влияние на развитие солнечных элементов, использование нанопроводников и преобразование солнечной энергии на международном уровне»,  — говорит исследователь Петер Крогструп из Института Нильса Бора в Копенгагене.

Пока рано говорить о том, из какого именно материала получатся самые эффективные фотоэлементы на основе «леса» стоящих нановолокон (галлий-арсенид эффективнее, а кремний, если из него получатся нановолокна, может оказаться дешевле), но сам факт превышения долгое время считавшего непоколебимым предела заслуживает серьёзного внимания.

В будущем авторы работы намерены построить крупные образцы фотоэлементов этого типа и выяснить практически достижимую эффективность солнечных батарей на основе такого нанолеса.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics.

По словам ученых, внедрение технологии займет несколько лет.