Повышение эффективности солнечных батарей при помощи 3D наноструктур
 (а) - Разработанная многослойная структура, включающая в себя массив "наностоек", повышающих эффективность преобразования световой энергии в электрическую (б) - Изображение экспериментальной солнечной батареи, построенной по такому принципу. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Эффективные с точки зрения стоимости производства и эксплуатации фотовольтаические технологии – это ключ к дальнейшему распространению солнечных батарей, позволяющих производить большие объемы экологически чистой энергии.
Существующие на сегодняшний день плоские кристаллические ячейки могут преобразовывать солнечную энергию достаточно эффективно, но стоимость их производства при этом пока крайне высока. С другой стороны, органические и неорганические полупроводниковые тонкие пленки имеют низкую стоимость изготовления, но не могут похвастаться эффективностью энергетических преобразований. Один из выходов из этого замкнутого круга - это использование выращиваемых нанообъектов, которые при невысокой стоимости производства могут иметь заданную кристаллическую структуру. Кроме того, наноструктуры могут обладать специфическими оптическими и электрическими свойствами, обеспечивающими более широкий спектр поглощения фотонов, что естественным образом повысит вероятность поглощения энергии. Таким образом, наноструктуры скорее всего станут основой для солнечных батарей следующего поколения.
Ранее уже проводились масштабные исследования по применимости таких наноструктурированных материалов, как массивы нанопроводов из кремния или арсенида галлия. Несмотря на то, что эти материалы уже используются для создания высокопроизводительных плоских солнечных ячеек, они обладают достаточно высокой скоростью поверхностной рекомбинации электронов, выбитых за счет фотоэмиссии. Поэтому их нельзя назвать идеальными для создания фотовольтаических устройств.
Вместо этого группа ученых из University of California (США) предложила использовать вертикально-ориентированные массивы упорядоченных нанопроводов или «наностоек» сульфида кадмия, закрепленных при помощи тонкой пленки из теллурида кадмия. Комбинация используемых материалов в данном случае имеет достаточно низкую скорость поверхностной рекомбинации зарядов. При этом наноструктура позволяет существенно повысить площадь поверхности, т.е. эффективность преобразования энергии света в электричество.
Ключевым фактором в этом достижении являлась разработанная учеными методика управляемого роста упорядоченных нанопроводов или наностоек на алюминиевой фольге (рост осуществлялся на основе шаблона). Преимущества такой структуры очевидны как с оптической, так и с электрической точек зрения. Свет, проходящий через трехмерную наноструктуру, испытывает рассеяние, т.е. повышается эффективная длина пути фотонов в солнечной ячейке и, соответственно, вероятность их поглощения. Также трехмерная структура эффективно подавляет отражение. Еще на этапе проектирования, могут быть рассчитаны ячейки с такими параметрами, которые обеспечивают максимальное поглощение поступающей световой энергии нужного диапазона, ведь на этапе роста массива нанопроводов можно контролировать как их расположение друг относительно друга, так и характеристики каждого отдельного нанопровода (длину, толщину, форму). Если массив нанопроводов поместить на гибкое полимеризованное основание, солнечные ячейки будут гибкими, как показано на иллюстрации к данному материалу. При этом в результате сгиба ячейка не теряет своих полезных свойств (наблюдается лишь незначительное снижение эффективности при уменьшении радиуса сгиба).
Исследовательская группа планирует продолжить изучение наноструктур для их эффективного применения в фотовольтаике. В первую очередь, ученые будут расширять набор материалов, которые могут быть использованы в производстве. Во-вторых, активно идет процесс оптимизации параметров устройств.
Также по теме:
Источники: