Сонячні елементи, тонші за довжину хвиль світла, мають величезний енергетичний потенціал, стверджують дослідники Стенфорда

Надзвичайно тонкі сонячні елементи можуть поглинати сонячне світло ефективніше, ніж товстіші, дорожчі у виробництві кремнієві елементи, що використовуються сьогодні, оскільки світло поводиться по-різному в масштабах навколо нанометра (мільярдна частина метра), стверджують інженери Стенфорда. Вони підрахували, що, правильно налаштувавши товщину декількох тонких шарів плівок, органічна полімерна тонка плівка може поглинути в 10 разів більше енергії від сонячного світла, ніж вважалося можливим.

Луї Бержерон

Аспірант Аасват Раман, доцент Шаньхуей Фан і докторант Цонгфу Ю підрахували, що фотоелектричні елементи, побудовані за допомогою нанотехнологій, можуть виробляти набагато більше електроенергії, ніж існуючі елементи.

У гладкому, білому, пристосованому для зайчиків світі кремнієвих пластин і сонячних елементів, виявляється, що невелика шорсткість може піти далеко, можливо, аж до перетворення сонячної енергії на доступне джерело енергії, стверджують інженери Стенфорда.

Їхні дослідження показують, що світло, що рикошетує навколо полімерної плівки сонячної батареї, поводиться по-різному, коли плівка надзвичайно тонка. Плівка, яка нанорозмірна і трохи загрубіла, може поглинути більше ніж у 10 разів енергію, передбачену звичайною теорією.

Ключ до подолання теоретичної межі полягає в утриманні сонячного світла в обіймах сонячної батареї досить довго, щоб вичавити з неї максимальну кількість енергії, використовуючи техніку, яка називається "захоплення світла". Це те саме, що якби ви використовували хом'яків, що бігали на маленьких колесах, щоб виробляти електроенергію - ви хотіли б, щоб кожен хом'як проїхав якомога більше миль, перш ніж він зіскочив і втік.

"Чим довше фотон світла знаходиться в сонячній батареї, тим більше шансів, щоб фотон поглинувся", - сказав Шаньхуей Фан, доцент кафедри електротехніки. Ефективність, з якою даний матеріал поглинає сонячне світло, є критично важливою для визначення загальної ефективності перетворення сонячної енергії. Фан є старшим автором статті, що описує роботу, опубліковану в Інтернеті цього тижня в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Уловлювання світла застосовується протягом декількох десятиліть з кремнієвими сонячними елементами і здійснюється шляхом шорсткості поверхні кремнію, щоб змусити надходить світло відскакувати всередині клітини на деякий час після її проникнення, а не відбиватися прямо назад, як це відбувається від дзеркало. Але впродовж багатьох років, скільки б дослідників не базікали з цією технікою, вони не змогли підвищити ефективність типових "макромасштабних" кремнієвих клітин понад певну кількість.

Ця принципова схема тонкоплівкової органічної сонячної батареї показує зелений верхній шар, з малюнком, грубий розсіюючий шар. Тонкий органічний шар плівки, показаний червоним кольором, - це місце, де затримується світло і генерується електричний струм. Плівка затиснута між двома шарами, що допомагає утримувати світло, що міститься в тонкій плівці.

Зрештою вчені зрозуміли, що існує фізична межа, пов'язана зі швидкістю, з якою світло рухається в межах даного матеріалу.

Але світло має подвійну природу, іноді поводиться як тверда частинка (фотон), а інколи - як хвиля енергії, і Фан та докторський дослідник Цонгфу Ю вирішили дослідити, чи виконується звичайна межа захоплення світла в умовах наномасштабу. Ю. є провідним автором статті PNAS.

"Ми всі звикли думати про світло як про пряму лінію", - сказав Фан. "Наприклад, промінь світла потрапляє в дзеркало, воно підскакує, і ви бачите інший промінь світла. Це типовий спосіб мислення про світло в макроскопічному світі.

"Але якщо ви спуститесь до наномасштабів, які нас цікавлять, масштабу в сотні мільйонних часток міліметра, виявляється, хвильова характеристика справді стає важливою".

Видиме світло має довжини хвиль приблизно від 400 до 700 нанометрів (мільярдні частки метра), але навіть у такому малому масштабі, сказав Фан, багато хто з аналізованих Ю структур мали теоретичну межу, порівнянну зі звичайною межею, доведеною експериментом.

"Одним із сюрпризів цієї роботи стало виявлення того, наскільки міцним є звичайний межа", - сказав Фан.

Лише коли Ю розпочав досліджувати поведінку світла в матеріалі глибокого підхвильового масштабу - істотно менше, ніж довжина хвилі світла, - йому стало очевидним, що світло може триматися довше, збільшуючи поглинання енергії за межами звичайний ліміт на макромасштабі.

"Обсяг вигоди від утримання в наномасштабі, який ми показали тут, справді дивує", - сказав Ю. "Подолання загальноприйнятої межі відкриває нові двері для проектування високоефективних сонячних елементів".

За допомогою чисельного моделювання Ю визначив, що найефективнішою структурою для використання переваг укладання наномасштабу є поєднання декількох різних типів шарів навколо органічної тонкої плівки.

Він затиснув органічну тонку плівку між двома шарами матеріалу - так званими "обшивальними" шарами, - які діяли як обмежувальні шари, коли світло проходило через верхній шар у тонку плівку. Поверх верхнього шару облицювання він розмістив візерунковий шар із шорсткою поверхнею, призначений відсилати надходить світло в різні боки, коли воно потрапляло в тонку плівку.

Змінюючи параметри різних шарів, він зміг досягти 12-кратного збільшення поглинання світла в тонкій плівці порівняно з межею макромасштабу.

Нанорозмірні сонячні елементи забезпечують економію матеріальних витрат, оскільки використовувані тонкі плівки органічного полімеру та інші матеріали дешевші, ніж кремній, і, будучи наномасштабними, необхідні кількості клітин значно менші.

Органічні матеріали також мають ту перевагу, що їх виготовляють у хімічних реакціях у розчині, а не потребують високотемпературної або вакуумної обробки, як це потрібно для виробництва кремнію.

"Більшість досліджень сьогодні вивчають багато різних видів матеріалів для сонячних елементів", - сказав Фан. "Де це матиме більший вплив в деяких нових технологіях; наприклад, в органічних клітинах".

"Якщо ви зробите це правильно, з цим пов'язаний величезний потенціал", - сказав Фан.

Асват Раман, аспірант прикладної фізики, також працював над дослідженням і є співавтором статті.

Проект був підтриманий за рахунок фінансування Науково-технічного університету короля Абдулли, який підтримує Центр удосконаленої молекулярної фотоелектрики в Стенфорді, та Міністерства енергетики США.

Зв'язок із ЗМІ

Луї Бержерон, Стенфордська служба новин: (650) 725-1944, [електронна пошта захищена]