Наносетка улучшает эффективность полимерных солнечных батарей на 175%
В Принстоне нашли путь почти троекратного увеличения эффективности органических солнечных ячеек — дешевых и гибких устройств, которым прочат большое будущее в «чистой» энергетике. Он заключается в использовании наноструктурного «сэндвича» из металла и пластика, названного «субволновой плазмонной полостью».
Нанотехнология позволила коллективу под руководством профессора Стивена Чоу (Stephen Chou) решить две главные проблемы, ведущие к потерям энергии в солнечных ячейках: отражение света от поверхности ячейки и неспособность полностью использовать даже тот свет, что проникает вовнутрь.
Полученные ими солнечные ячейки отражают всего 4% света и поглощают до 96%. Они также демонстрируют кпд преобразования солнечной энергии в электрическую на 52% больше, чем обычные солнечные батареи. Наибольший же выигрыш по сравнению с традиционными устройствами достигается благодаря способности улавливать световые лучи, падающие под большим углом — в пасмурные дни или при неоптимальной ориентации солнечных батарей. Это обеспечивает дополнительные 81% эффективности, что в сумме дает прирост 175%.
Главной отличительной чертой примененной структуры является верхний «оконный» слой. Он представляет собой тонкую (толщина 30 нм) золотую сетку. Диаметр отверстий в ней 175 нм, а промежуток между ними — 25 нм. Эта решетка заменяет обычный оконный слой, как правило, состоящий из металлоксидного материала ITO.
Под золотой сеткой размещается металлическая пленка, аналогичная применяемым в других солнечных ячейках. Промежуток между ними заполняет тонкая прослойка полупроводника — это может быть кремний, арсенид галлия или полимер, но в данном случае ученые использовали слой пластика толщиной 85 нм.
Все характерные размеры солнечной ячейки — толщина сэндвича, диаметр отверстий сетки и пр. — меньше длины волны улавливаемого света. Это критично, поскольку субволновые структуры обеспечивают весьма необычное поведение света — почти полное поглощение и отсутствие отражения.
Разрабатывая эту технологию, ученые рассчитывали на некоторое увеличение эффективности, но реальный ее прирост, как отмечает Чоу в статье для онлайнового издания Optics Express, превзошел самые смелые ожидания. По его заявлению, предложенные плазмонные (plasmonic cavity with subwavelength hole array, PlaCSH) ячейки весьма технологичны и могут изготовляться с низкой себестоимостью методом наноимпринтинга в виде листов большого формата.
Помимо непосредственного увеличения кпд преобразования, применение металлической сетки позволяет отказаться от электродов ITO — наиболее дорогостоящей и хрупкой компоненты современных органических солнечных батарей.
