Как получить гибкие солнечные батареи на недорогом кремнии низкой чистоты

Сотрудники Мичиганского университета (США) представили гибкие солнечные панели, протравив адсорбирующие свет наноструктуры в тонких полосках кремния низкой чистоты. Поскольку такие ячейки используют самый минимум недорогого кремния, они должны быть существенно дешевле солнечных батарей на высокочистом кристаллическом кремнии.

Наиболее вероятные области применения таких панелей — поверхности автомобильных кузовов и даже верхняя одежда. Подробный отчёт о проделанной работе опубликован в журнале Nano Letters.

Для создания солнечных батарей используется очень дорогой производственный процесс, позволяющий добиться получения кристаллического кремния запредельной чистоты (99,9999%). Без должной очистки растворённые в кремнии примеси будут выступать в роли электронных и дырочных ловушек, создавая физические барьеры для протекания электрического тока и тем самым снижая эффективность батареи.

Результат научных изысканий: гибкая солнечная панель на поликристаллическом кремнии низкой частоты (слева); набор кремниевых колонн, полученных травлением (справа) (иллюстрация ACS).

Исследователи из Мичиганского университета поставили перед собой благую цель — найти способ снижения себестоимости солнечных батарей, а начать они решили с использования поликристаллического кремния металлургической чистоты (99,999%). Стоимость этого материала (всего $10 за кг) примерно в пять раз ниже того, что обычно применяется для производства солнечных батарей. Решением проблемы примесей стало укорочение эффективного расстояния, которое должны пробегать электроны и дырки, с тем чтобы встречать на своём пути как можно меньше примесных атомов. Для этого тонкие листы кремния (17 мкм толщиной) были разрезаны на узкие ленты шириной менее 1 мм.

Для создания гибких солнечных ячеек исследователи нанесли сотни параллельных кремниевых ленточек на гибкую пластиковую подложку. Затем кремниевые ленты были покрыты специальным блок-сополимером, который самоорганизовывался в вертикальные цилиндры диаметром 34 нм. После этого на поверхность полученной структуры было произведено осаждение атомов серебра, которые заполнили собой полые полимерные цилиндры. Полимер растворили в толуоле, оставив на поверхности кремния набор серебряных наночастиц в форме близкорасположенных цилиндров. Наконец, используя метод реактивного ионного травления, учёные удалили атомы кремния, находившиеся в промежутках между серебряными цилиндрами, которые сыграли роль надёжной защиты для кремния, расположенного под ними.

Таким образом, травление привело к образованию набора кремниевых колонн (около 17 мкм в высоту), вершины которых венчали серебряные наночастицы.

Наночастицы серебра абсорбируют и проводят солнечные фотоны к подлежащим кремниевым столбам (скорее всего, речь идёт о плазмонном механизме; по крайней мере он объясняет повышение эффективности классических солнечных батарей с помощью металлических наночастиц). Лес из кремниевых колонн захватывает свет, в то время как фотоны света «запутываются» между ними, повышая вероятность захвата. В результате наноструктурированный материал способен абсорбировать до 95% падающего света, что намного превосходит способности обычного неструктурированного кремния (60% при любой чистоте). Чем больше света может поглотить солнечная ячейка, тем выше её эффективность (при прочих равных).

Подведём итог: новая гибкая ячейка на основе дешёвого наноструктурированного поликристаллического кремния конвертирует свет с 10-процентной эффективностью, что меньше 15–17%, характерных для высокочистого кристаллического кремния, но выше 8% эффективности солнечных батарей на основе аморфного кремния.

По словам учёных, они уже нашли способ дальнейшего увеличения эффективности своего детища.

Подготовлено по материалам Chemical and Engineering News.

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!

blog comments powered by Disqus