Экономим кремний: В новых батареях его всего 2%
Новые солнечные батареи, обещающие улучшенное поглощение солнечного света и эффективное превращение фотонов в электроны, используют лишь часть дорогих полупроводниковых материалов, необходимых для создания обычных солнечных батарей и, поскольку они гибкие, производство обходится дешевле.
Каждое кремниевое волокно само по себе является эффективным высококачественным солнечным элементом. Соединив их вместе, ученые добились еще большей эффективности, поскольку волокна взаимодействуют друг с другом, увеличивая способность батареи поглощать свет, причем увеличивая настолько, что новые солнечные элементы преодолели существующий предел для светоулавливающих материалов, определяющий, какое именно количество солнечного света может быть поглощено. Кремниевое волокно поглощает до 96% падающего на него солнечного света определенной частоты и до 85% всего собираемого света.
Однако Гарри Этватер, профессор прикладной физики и материаловедения, отметил: «Многие материалы способны хорошо поглощать свет, но не вырабатывать электричество — например, черная краска. Самое важное для солнечного элемента — это то, насколько эффективно поглощение света приводит к созданию носителей тока».
Силиконовые волокна, созданные Этватером и его коллегами, способны превращать от 90 до 100% абсорбированных фотонов в электроны — говоря техническим языком, волокна обладают почти идеальной внутренней квантовой эффективностью. «Хорошее поглощение в сочетании с высокой способностью к конвертации — условия создания высококачественных солнечных батарей», — сказал Этватер.
Столь высокая способность к конвертации возникает благодаря тому, что волокна покрывают от 2 до 10% поверхности солнечной батареи. Когда свет попадает на волокно, часть его поглощается, а остальное рассеивается. По мнению профессора Этватера, именно взаимодействие между волокнами в процессе рассеивания света делает сетку из волокон такой эффективной в плане поглощения солнечного света, несмотря на свободное расположение отдельных волокон.
«Когда мы впервые задумались о создании солнечных элементов с использованием сеток из кремниевых волокон, мы полагали, что часть солнечного света будет теряться в пространстве между отдельными волокнами, — объясняет выпускник Майкл Келзенберг. — Так что изначальный план состоял в том, чтобы разместить волокна как можно ближе друг к другу. Но когда мы начали подсчитывать качество поглощения, мы обнаружили, что можно улавливать больше света, чем ожидалось, при помощи сетки из волокон. Разработав техники светоулавливания для относительно разряженных сеток мы не только достигли приемлемого уровня светопоглощения, но и продемонстрировали прекрасную перспективу для будущего улучшения эффективности солнечных элементов, работающих на сетке из кремниевых волокон».
Каждое волокно от 30 до 100 микрон в длину и 1 микрон в диаметре. «Общая толщина зависит от длины волокна, — заметил Этватер, — но только 2% объема занимает кремний, оставшиеся 98 — это полимер».
Так как кремний — дорогостоящий компонент традиционных солнечных батарей, батарея, в состав которой входит всего лишь одна пятидесятая от обычного количества этого полупроводника, может быть дешевле в производстве. Композитная природа нового солнечного элемента означает, что он отличается гибкостью.
Следующим шагом, по словам Этватера, будет увеличение рабочего напряжения и общего размера солнечного элемента. «Мы создали образцы размером в несколько квадратных сантиметров, — пояснил ученый. — Сейчас мы работаем над созданием солнечных элементов площадью в сотни квадратных сантиметров, то есть, размером с обычную солнечную батарею».
Этватер сообщил, что ученые уже на пути к демонстрации того, что солнечные элементы большого размера будут работать так же хорошо, как их уменьшенные версии.
Источник gizmag.com