В последние годы ученым удалось значительно уменьшить толщину фотоячеек с помощью вспомогательных структур, размер которых не превышает длины волны видимого света.
Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III–IV групп, а также кристаллический кремний, стоят очень дорого. Другие же материалы, например, аморфный кремний, цена которого относительно невысока, не обеспечивают требуемого КПД. Известно, что чем тоньше рабочая среда элемента, тем легче носители заряда достигают его границ. Однако при этом увеличивается вероятность того, что фотон пройдет сквозь солнечную батарею, не успев абсорбироваться.
В лаборатории Стэндфордского университета пытаются создать солнечные батареи толщиной 1–2 мкм. Известно, что нанесенная на поверхность фотоячеек текстура способна в 50 раз увеличить степень абсорбции света за счет изменения углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель еще в 10 раз.
Один из таких методов – плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, приводят к образованию плазмонов, или коллективных колебаний свободного электронного газа в металле. Этот эффект позволяет существенно увеличить рассеяние света внутри батареи и, следовательно, вероятность абсорбции фотона.
Группа исследователей из Калифорнийского технологического университета (США), создает плазмоны с помощью полусферических выпуклостей на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Такой наноструктурированный продукт производит на 15% больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади со случайными текстурами.
 |
Ультратонкая солнечная панель Sanyo. В 2009 г. – мировой рекордсмен с конверсией света в 22,8%. (Фото Sanyo.)
Фотонные кристаллы используются также для создания оптического фильтра или рефлектора. При падении на него фотона с длиной волны, не соответствующей разрешенной зоне, фотон отражается. Группа исследователей из Делфтского технологического университета (Нидерланды) установила фотонные рефлекторы в середине батареи и на ее задней стороне. Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность преобразования фотонов света в электрический ток.
Исследователи из микроэлектронного центра IMEC (Бельгия) утверждают, что фотонно-кристаллический слой позволит увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37%.
Однако на осуществление всех этих проектов потребуются годы.
Источник: Ostec