Новый материал, нано-сэндвич, позволяет увеличить эффективность солнечных батарей на 175 процентов
Одной из главных причин низкой эффективности солнечных батарей при преобразовании солнечного света в электрическую энергию является то, что большая часть падающего солнечного света отражается от поверхности фотогальванического элемента. Новый материал, имеющий структуру сложного нано-бутерброда, разработанный исследователями из Принстонского университета, позволяет минимизировать количество отраженного света, что увеличивает эффективность преобразования на целых 175 процентов.
Этот материал, разработанный группой, возглавляемой профессором Стивеном Чоу (Prof. Stephen Chou), является матрицей плазмонных впадин с отверстиями, настроенными на поглощение различных длин волн света (plasmonic cavity with subwavelength hole array, PlaCSH). Материал состоит из пяти тончайших слоев различных материалов.
Верхний слой, так называемый «оконный» слой, через который солнечный свет проходит в первую очередь, состоит из листа чрезвычайно чистого металла, в котором изготовлены отверстия определенных размеров, удаленные друг от друга на определенные расстояния. Диаметр отверстий и интервал между ними измеряется в нанометрах. Ниже верхнего слоя идет слой из прозрачного полимера, ниже которого находится слой из органического полупроводникового материала. Предпоследним является слой окиси титана, а в качестве самого последнего выступает слой алюминия, который находится на стеклянной подложке.
Общая толщина всех пяти слоев составляет 230 нанометров. Эта толщина, наряду с диаметрами и интервалом отверстий, меньше длин волн солнечного света и именно эта особенность позволяет только лишь четырем процентам света быть отраженными от поверхности материала, оставшиеся 96 процентов фотонов света эффективно поглощаются самим материалом.
И если перевести это в эффективность преобразования солнечного света в электрическую энергию, то речь идет о 52-процентном увеличении эффективности органических солнечных батарей по сравнению с обычными солнечными батареями. Но, материал PlaCSH может поглощать свет, падающий на поверхность под более крутыми углами, что повышает его эффективность еще на дополнительный 81 процент. А когда все вышесказанное объединяется с некоторыми другими факторами, то общее увеличение эффективности составляет 175 процентов.
Согласно имеющейся информации, материал PlaCSH может быть произведен в промышленных масштабах при относительно низкой себестоимости. Использование такого материала позволит избежать применения электродов из оксида олова-индия (indium-tin-oxide, ITO), достаточно дорогостоящего материала, используемого в большинстве органических солнечных батарей. И, поскольку материал PlaCSH достаточно гибок, то солнечные батареи на его основе будут менее хрупкими и более долговечными.
Хотя цикл исследований, направленный на применение материала PlaCSH в солнечных батареях, еще далек от финального завершения, Стивен Чоу уже сейчас считает, что некоторые уловки, к которым им еще предстоит прибегнуть, позволят еще больше увеличить показатель эффективности преобразования.
Описание проведенных исследований, их результаты и разработанные технологии были опубликованы в одном из последних выпусков журнала Optics Express.