Группа инженеров из Суинбурнского технологического университета
(Мельбурн, Австралия) разработала технологию, позволяющую на 25% повысить энергоэффективность тонкопленочных солнечных батарей. В настоящий момент это рекордное достижение в интенсивно растущей индустрии тонкопленочных фотоэлементов, использующих эффект поверхностных плазмонов — возмущений электронного газа, взаимодействующего со светом на поверхностях металлов.
Буквально за несколько лет тонкопленочные модули изменили наше представление о солнечных батареях
как довольно тяжелых, хрупких и дорогостоящих устройствах, которые из-за их громоздкости и требовательного, но непрезентабельного дизайна размещают исключительно на задних дворах и крышах.
Поэтому на новую технологию, позволившую сделать батарею тонкой (до 0,6 мм) и удешевить фотоэлектрическую ячейку, на которую стало уходить в сотни раз меньше кремния (толщина Si-слоя в таких пленках достигает 0,5–1 мкм против 300 мкм в классических «твердых» ФЭП), а главное, сделать ранее несгибаемый фотоэлемент гибким за счет использования более дешевого аморфного кремния вместо кристаллического, индустрия отреагировала многократным ростом производства чудо-пленок, которые занимают сейчас пятую часть рынка фотопреобразователей энергии.
Перспективы у тонкопленочных элементов очень хорошие: ими можно покрывать кузова электромобилей, сложнопрофильные стены зданий, вставлять в одежду и даже делать из них окна и экраны гаджетов: уже разработаны прозрачные ФЭП-пленки, не использующие кремний вообще. Все это, однако, омрачается одним неприятным обстоятельством:
из-за маленькой толщины поглощающего свет слоя кремния энергоэффективность пленок пока намного меньше (до 5–6%), чем у классических фотоэлементов (в среднем 25%), что существенно снижает их привлекательность.
Раз повышать содержание кремния невыгодно, увеличить энергоотдачу пленок решили другим способом — повышая число энергетически более выгодных коротковолновых фотонов, достигающих поверхности полупроводника. Но как этого достичь, если фотоэлементы облучаются спектрально стабильным светом Солнца?
На помощь пришел эффект Рамана, или эффект комбинационного рассеяния света на молекулах вещества. В отличие от обычного рассеяния, когда фотоны, столкнувшись с молекулой газа, жидкости или твердого вещества, меняют траекторию, но не изменяют своей энергии, при комбинационном рассеянии происходит обмен энергией между молекулой и фотоном, а в рассеянном излучении появляются спектральные линии, которых не было в первичном спектре.
В случае с металлами такой обмен энергией может происходить между фотоном и поверхностным плазмоном — квантом колебания свободного электронного газа, циркулирующего между узлами кристаллической решетки.
Собственная частота колебания электронного газа в металлах при отсутствии магнитного поля лежит в ультрафиолетовой области, и, если частота фотонов меньше плазменной, такие фотоны отражаются (именно этим объясняется блеск металлов, интенсивно отражающих свет видимого нами спектра). Одновременно часть фотонов может рекомбинировать, приобретя дополнительную энергию и сдвинувшись в более коротковолновый спектр. Опытным путем было установлено, что вероятность такого события сильно возрастает в средах, заполненных частицами металлов, размер которых сопоставим с длиной световой волны. В таких слоях интенсивность рамановского рассеяния повышается на порядки, обеспечивая таким образом
большее число энергетически выгодных фотонов, способных, в свою очередь, возбудить поверхностные плазмоны в слое нижележащего полупроводника.
За несколько лет, экспериментируя с разными металлами и используя эффект рамановского рассеяния на плазмонах, энергоэффективность тонкопленочных фотоэлементов удалось повысить с 3% до 5—6%. Выше эта планка не поднималась, так что в какой-то момент показалось, что большего количества энергии из трюка с рамановским рассеянием выжать уже нельзя. Однако австралийским инженерам удалось установить еще один рекорд, повысив эффективность солнечных плазмонных фотоэлементов сразу на 25%. Учитывая, что для удобных, дешевых, но «хилых» тонкопленочных солнечных батарей прирост эффективности даже на десятые процента считается большой удачей,
такой результат выглядит настоящим технологическим скачком, который, по утверждению авторов статьи, «изменит лицо современной тонкопленочной индустрии и в конечном итоге всей солнечной электроэнергетики».
Сделать его удалось, изменив форму наноразмерных частиц металла (в данном случае серебра) с гладкой на бугристую.
Металлические наношарики нерегулярной формы рассеивают свет более интенсивно за счет большей площади отражательной поверхности, усиливая кванто-электрические эффекты рассеяния Рамана. Так, покрыв полупроводниковую ячейку специальным прозрачным слоем с 10-процентной взвесью серебряных частиц диаметром 200 нм, у австралийцев получилось вытянуть эффективность обычной промышленной тонкопленочной ячейки с 5% до 8,1%. К концу этого года, как обещают инженеры, опубликовавшие результаты экспериментов в NANO Letters эффективность возрастет уже до 10%, что вполне сопоставимо с классическими «толстыми» фотоэлементами на кристаллическом кремнии, более дорогими и неудобными.
Внедрение нового метода получения энергии из Солнца облегчается тем, что получение взвеси бугристых наночастичек серебра — несложная и хорошо отработанная технология, металла на это уходит относительно немного, да и серебро выглядит более привлекательно, чем экзотичные редкоземельные металлы, которые чаще всего используют, пытаясь поднять эффективность солнечных батарей, легируя ими полупроводники на основе кремния.