Наноструктура делает металлический электрод прозрачным

Панель для преобразования солнечного света в электричество представляет собой слой полупроводника между двумя металлическими электродами. Такая конструкция имеет существенный недочёт: металл электрода мешает свету проходить в полупроводник, что снижает эффективность преобразования энергии. В идеальном случае верхний электрод должен быть полностью невидим.

Близкое к такому идеальному решению предложили ученые Стэнфордского университета. Они нашли способ скрывать металлический контакт и направлять свет непосредственно к активному слою полупроводника. Их результаты, представленные в журнале ACS Nano, могут изменить подход к конструированию и производству солнечных батарей, улучшить их эффективность и сделать дешевле.

Разработанная в Стэнфорде наноструктура избавляет от необходимости искать компромисс между проводимостью и прозрачностью электрода. Поверх слоя кремния инженеры поместили пленку из золота толщиной 16 нанометров. Внешне она выглядела сплошной, но на самом деле содержала множество квадратных наноотверстий.

Оптические измерения показали, что перфорированная таким образом золотая плёнка покрывает 65% площади кремния и отражает, в среднем, 50% падающего света. Невидимость этого покрытия достигается благодаря одноэтапному химическому процессу.

«Мы поместили кремний с нанесённой на него золотой плёнкой в раствор плавиковой кислоты и перекиси водорода, — рассказывает один из авторов работы, аспирант Томас Гиммел (Thomas Hymel). — Золотая плёнка немедленно стала погружаться в кремниевую подложку, а сквозь отверстия стали проступать кремниевые наностержни».

Сразу после появления эти наноструктуры стали улавливать свет и перенаправлять его в обход металлической решетки в слою кремния под ней. За несколько секунд высота стержней достигла 330 нм и блестящая золотая поверхность приобрела темно-красную окраску. Резкое изменение цвета стало показателем того, что металл перестал отражать свет.

Авторы открытия оптимизировали свою технологию в серии лабораторных и численных экспериментов.

«Обычно, металлические проводники затеняют 5-10% верхней поверхности солнечного элемента, — объясняет аспирант Стэнфорда, Виджай Нарасимхан (Vijay Narasimhan). — У лучшей из наших конструкций металлом покрыты почти две трети поверхности, но потери на отражение составляют всего 3%. Увеличение количества металла ведёт к росту проводимости, что делает элемент более эффективным в преобразовании света в электричество».

В частности, применение новой технологии позволяет повысить показатель конверсии энергии у обычной солнечной батареи с 20 до 22%, что является заметным достижением. В дальнейшем, коллектив авторов этой разработки планирует протестировать её на коммерческих солнечных батареях, чтобы оценить выигрыш, достигаемый в сценариях реального использования.

Помимо золота «скрытые контакты» могут состоять из серебра, никеля и других металлов. Аналогичным образом, вместо кремния могут применяться и прочие полупроводниковые материалы, а помимо солнечных батарей прозрачный металл пригоден для множества других приложений, включая фотосенсоры, светодиоды, дисплеи и прозрачные элементы питания.

Предложенная парадигма впервые позволяет создавать полупроводники и контакты одновременно. Это сокращает количество этапов процесса производства оптоэлектроники и обещает снизить её себестоимость.