Ученые из Калифорнийского технологического института разработали новый принцип создания гибких солнечных батарей с использованием всего 1% дорогостоящих полупроводниковых материалов по сравнению с традиционными панелями, который, к тому же, позволяет увеличить их эффективность, что можно использовать при создании нового поколения солнечных элементов, сообщается в статье исследователей, опубликованной журнале Nature Materials.

Массив стержней, заключенных в слое полимера.
В верхней части изображения показано распределение
частиц оксида алюминия в полидиметилсилоксане

Обычно для производства солнечных элементов применяются пластины кремния с шероховатой поверхностью, которая позволяет им лучше улавливать лучи солнечного света, падающие на батарею под разными углами. Несмотря на то, что кремниевые пластины очень широко используются в современной микроэлектронике, их стоимость слишком высока для массового внедрения и коммерциализации солнечных батарей.

Группа ученых под руководством Гэри Этуотера (Harry Atwater) показала, что количество дорогостоящего полупроводника, необходимое для изготовления солнечной панели, можно сократить в 100 раз, если вместо пластин использовать кремниевые стерженьки микронных размеров. Это, по мнению ученых, позволит существенно снизить стоимость солнечных батарей.

Эти микростержни, называемые учеными вискерами (от англ whisker – волосок) с помощью современных технологий могут быть получены в больших количествах и выставлены на подложку из стекла или полимера вертикально. В своей работе авторы статьи использовали в качестве подложки гибкий полимер, так что их конечное изделие напоминает чем-то ковер.

Полученные исследователями кремниевые стержни имели диаметр в несколько микрометров и длину до 100 мкм. Для улучшения их характеристик использовалось просветляющее покрытие из нитрида кремния толщиной около 80 нм. Стержни заключались в слой светопроницаемого полимера полидиметилсилоксана, в который были введены частицы оксида алюминия Al₂O₃ диаметром менее 0,9 мкм. Эти частицы предназначены для рассеивания падающего излучения: если бы их не было, падающий сверху свет просто проникал бы в промежутки между стержнями и не поглощался ими. «Вряд ли кому-то понравится фотоэлемент, который не может работать в полдень», — поясняет Гарри Этуотер.

В экспериментах, результаты которых представлены на рисунке ниже, анализировались свойства массивов при падении на них излучения с длиной волны в диапазоне (400–1 150) нм. Ученые отмечают, что в ближнем ИК-диапазоне созданные ими устройства по своим поглощающим свойствам превосходят кремниевые пластины.

Нам удалось разрушить устоявшиеся убеждения специалистов о пределе поглощения инфракрасного света солнечными панелями, – прокомментировал работу Этуотер, слова которого приводит Nature News.

Определенные при разных углах падения излучения характеристики массивов. Левый и правый столбцы соответствуют разным подложкам, на которых размещались образцы

Теперь ученым предстоит продемонстрировать эффективность своего подхода на примере полноразмерного устройства и показать, что их гибкие солнечные панели действительно существенно дешевле своих традиционных аналогов в производстве, и могут использоваться в массе приложений, и встраиваться в самые разные конструкции, от кузовов автомобилей до элементов одежды. Технология создания таких солнечных элементов уже отработана: недавно, к примеру, свой вариант, построенный на базе нанопроводов из более дорогого арсенида галлия, представила исследовательская группа из Санкт-Петербурга (см. статью в журнале Nanoscale Research Letters).