Ловушка для света из наночастиц
 Солнечные батареи. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Экономический спад неизбежно подтолкнул развитие исследований в области возобновляемых источников энергии. Очевидно, что даже в отсутствии финансового кризиса тема поиска дешевых и экологически чистых альтернатив ископаемому топливу как минимум интересна, а в условиях повсеместной экономии она превратилась в чрезвычайно популярную. Одним из вариантов таких энергетических источников является солнечный свет, однако, на сегодняшний день солнечные батареи еще слишком дороги для того, чтобы это решение могло массово применяться на практике.
Привычные нам солнечные батареи производятся на основе достаточно чистого кремния, стоимость производства которого и делает их столь дорогими. В этих условиях одним из направлений развития солнечных ячеек является разработка еще более тонких пластин, которые снизят требуемое количество кремния, соответственно, позволят уменьшить цену.
Электрический ток производится в кремниевых солнечных ячейках за счет формирования пары электрон-дырка при поглощении фотона солнечного света. При этом поглощаются только те фотоны, которые обладают энергией, большей, чем определенный порог, называемый запрещенной зоной полупроводника. Следует отметить, что кремний – плохо поглощает фотоны, энергия которых не многим выше уровня запрещенной зоны. Соответственно, значительная часть солнечной энергии не поглощается ячейкой. Для увеличения вероятности поглощения на поверхности солнечных элементов применяется специальное текстурирование, позволяющее «заманить в ловушку» длинноволновое излучение. Характерные размеры такой текстуры поверхности – порядка 10 мкм.
К сожалению, текстура эффективна, только если речь идет об относительно толстых, т.е. дорогих пластинах. Снижение толщины солнечной ячейки в попытках удешевить производство неизбежно ведет к уменьшению так называемого «полезного объема», в котором происходит поглощение фотонов, а для повышения вероятности поглощения необходимо придумывать другие методы.
Один из таких методов предложен учеными из Австралии. Он состоит в использовании для захвата фотонов наночастиц, а точнее поверхностных плазмонов, возникающих в изолированных металлических наночастицах, расположенных на поверхности кремния. Плазмоны – квазичастицы, определяющие оптические свойства металла. Они представляют собой кванты колебаний свободного электронного газа, способные к взаимодействию со световой электромагнитной волной.
Плазмоны взаимодействуют с фотонами, как бы «переизлучая» энергию в кремний. Своей работой ученые показали, что правильным подбором материала, из которого будут изготовлены наночастицы, можно управлять частотой плазмонного резонанса (а точнее, его положением на частотной шкале относительно частоты поглощаемого излучения). Это свобода в выборе параметров позволяет осуществить наиболее эффективную «передачу» энергии в кремний.
Очевидно, что предложенный метод позволяет существенно повысить эффективность поглощения в тонкой солнечной ячейке без больших дополнительных затрат. Вероятно, в будущем методика будет иметь широчайшее практическое применение.
Также по теме:
Источники: