Простое покрытие может существенно увеличить КПД солнечных батарей
Главная причина роста солнечной энергетики в последние годы — лавинообразное удешевление кремниевых фотоэлементов. И всё же пока более половины стоимости фотоэлементной панели приходится на монокристаллический кремний, дорогой и энергоёмкий в производстве. Похоже, ему на помощь спешат более дешёвые родственники.
Материаловеды Аниш Тутеджа (Anish Tuteja) и Акрам Букай (Akram Boukai) из Мичиганского университета (США) попробовали привлечь к изготовлению фотоэлементов гораздо менее качественный металлургический кремний, стоимость которого в десять раз ниже монокристаллического за счёт несравнимо меньшей степени очистки от примесей, ухудшающих подвижность электронов в материале.
Такие попытки уже предпринимались, однако эффективность соответствующих солнечных батарей не превышала жалких 2,6%, что никак не могло устроить прихотливую гелиоиндустрию.
Американские исследователи взялись коренным образом изменить ситуацию, используя металлические наноструктуры, наносимые на поверхность слоя металлургического кремния.
Их прототип представляет собой фотоэлемент толщиной 12 мкм, поверх которого идут четыре слоя металлических наноструктур, наносимых с помощью блок-сополимерной литографии. Метод изготовления внешнего слоя полностью автоматизирован: по мере вращения заготовки, на которую наматывается тонкая плёнка полимера, в конечном слое при помощи реактивно-ионного травления создаются микроотверстия («поры»), диаметром в 20 нм каждая. На дне такого отверстия находится кремний, а по краям — полимер. Поверх всего этого «бутерброда» наносится сверхтонкая серебряная (или золотая, эффективность от этого не меняется) плёнка, после чего вся структура нагревается и покрывается стеклом. Описанный техпроцесс повторяется четыре раза, после чего на выходе получаются четыре слоя таких поверхностных наноструктур общей толщиной в 100 нм.
Благодаря возникновению в металлических наноструктурах, облучаемых видимым светом, поверхностных плазмонов, этот сравнительно тонкий фотоэлемент поглощает 98% солнечного излучения, преобразуя 10,7% света в электричество. Да, это на 40–45% ниже, чем у лучших серийных фотоэлементов на монокристаллическом кремнии, но и почти вдвое дешевле в массовом производстве, а также значительно менее энергоёмко. Для сравнения напомним, что солнечные батареи на аморфном кремнии, другом заменителе монокристаллического, по КПД не превышают 6%.
Чтобы из глыб металлургического кремния получить монокристаллический, его превращают в дихлорсилан/трихлорсилан, который затем долго очищают. Новые фотоэлементы показывают пристойную эффективность без этой непростой и недешёвой техцепочки.
В то же время авторы работы не считают, что всё сводится только к дешевизне. Они намерены комбинировать тонкий слой «второсортного» кремния с обычным монокристаллическим фотоэлементом, используя свою разработку как специальное дополнительное покрытие для солнечных батарей.
Нечто подобное уже предпринималось в Panasonic: монокристаллические фотоэлементы сочетались с тонким слоем аморфного кремния, что позволило добиться рекордного КПД среди представленных на рынке батарей. По мнению Тутеджи и Букая, такое комбинирование, незначительно увеличив стоимость батарей, значительно поднимет их эффективность и коммерческую отдачу.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nano Letters.
Подготовлено по материалам Американского химического общества.