В Стэнфордском университете изобрели новый способ нанесения электрической проводки на поверхность солнечных ячеек, которая остается невидимой для проходящего света. Чтобы значительно повысить выработку и отдачу электроэнергии, ученые предложили изготавливать фотоэлементы по такой технологии, структура солнечной батареи при этом улучшится.
Какова структура традиционной солнечной панели
Традиционные солнечные ячейки представляют собой полупроводник, конвертирующий солнечную энергию в электричество, который расположен между двум металлическими контактами, проводящими электрический ток. Блестящий металл отражает часть солнечного света, что является недостатком традиционных панелей и снижает их эффективность.
Обычные солнечные панели, которые в 90% случаев располагают на крышах домов, имеют на своей поверхности клетчатый рисунок. Эти видимые нами линии являются металлическими контактами. Чем больше число таких контактов, тем, больше света «теряется» и поэтому страдает энергоэффективность элемента.
Верхний слой токопроводящих контактов занимает 5 — 10% поверхности фотоэлемента. Это означает, что 5-10% солнечной энергии, которые могли бы использоваться для выработки электричества, просто отражаются.
Структура новой солнечной батареи
Исследователи из Стэнфорда разработали технологию, с помощью которой можно «спрятать» отражающий материал и направить свет непосредственно на расположенный ниже кремниевый полупроводник. Это открытие опубликовано в журнале ACS Nano, и может коренным образом изменить конструкцию и способ изготовления фотоэлементов.
«С помощью нанотехнологий, мы разработали новый способ изготовления металлического верхнего слоя, который пропускает 80% солнечного света, — рассказывает автор проекта Виджай Нарасимхан. – Разработанная нами технология увеличит производительность в 3 раза, а значит и уменьшит стоимость солнечной батареи».
В своем исследовании ученые разместили тончайшую золотую пленку толщиной 16 нанометров на плоскую кремниевую поверхность. Эта пленка проводник испещрена множеством наноразмерных прямоугольных отверстий, однако для человеческого глаза они остаются невидимыми – золотая пленка кажется ровной, как зеркало.
Оптический анализ показал, что перфорированная золотая пленка покрывает 65% поверхности кремния и отражает 50% падающего света. Ученые заключили, что если найти способ спрятать проводящую пленку, то на кремниевый полупроводник поступит больше солнечного света.
Решением стало создание кремниевых столбцов, размером 300 нм, которые возвышаются над золотой пленкой и перенаправляют солнечный свет прежде, чем он достигнет металлической поверхности. Получить такую структуру удалось за счет химического процесса.
Кремниевые наностолбцы возвышаются над поверхностью золотой пленки и перенаправляют солнечный свет.
Ученые погрузили кремниевую пластину вместе золотой пленкой на поверхности в раствор перекиси водорода и плавиковой кислоты. При этом металл стал моментально погружаться в подложку и на месте отверстий образовались наностолбцы кремния. Вместе с тем, блестящая золотая поверхность поменяла цвет на темно красный. Это обозначает, что золото перестало отражать свет.
«Когда вы включаете водопроводный кран с аэратором, то не вся вода проходит сквозь решетку, — объясняет Нарасимхан. – Но если в каждое отверстие в решётке добавить воронку – 95% воды пройдет через них без препятствий. Так работает и наша структура: наностолбцы выступают в роли воронок, которые захватывают свет и направляют его на кремниевую поверхность сквозь отверстия в металлической решетке».
Увеличение эффективности солнечных панелей до 22%
По словам авторов исследования, помимо золота, есть возможность предложенный метод использовать для контактов из платины, серебра, никеля и других металлов. Ожидается, что новая технология позволит увеличить выработку электроэнергии традиционных солнечных батарей с 20% до 22%. Это значительный прирост для такого вида систем. Кроме того, такой способ применим как для создания эффективных солнечных панелей, так и для производства различных фотосенсоров, светодиодов и прозрачных батарей.
Источник: stanford.edu
