Улавливание солнечного света при помощи кремниевых нано-проводников
Солнечные батареи, сделанные из кремния, направлены на то, чтобы внести весомый вклад в развитие будущего возобновляемых источников энергии.
Используемые в настоящее время фотогальванические способности кремния, позволяющие преобразовать солнечный свет в электричество с внушительной 20-ти процентной эффективностью, дают довольно дорогую электроэнергию, применение которой весьма ограничено. Исследователи из Национальной Лаборатории имени Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли), однако, развивают новый подход, который сможет существенно снизить затраты на производство такой энергии. Ключ к их успеху - более эффективный способ собирания солнечного света.
"С применением тонких пленок из упорядоченных решеток вертикальных кремниевых нано-проводов нам удалось увеличить количество собираемой световой энергии в 73 раза" - говорит химик Пеидонг Янг, который руководил этим исследованием. "Так как техника изготовления, лежащая в основе этих радикальных усовершенствований, относительно проста и легко масштабируема, мы полагаем, что наш подход представляет экономически обоснованный путь к производству дешевых тонкопленочных элементов солнечных батарей с высоким К.П.Д."
Янг проводит объединенные заседания с кафедрой материаловедения Лаборатории Беркли и кафедрой химиии Калифорнийского университета. Он является ведущим специалистом по полупроводниковым нано-проводам - плоские полоски материалов, ширина которых имеет размеры в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса, но длиной в несколько микронов.
"Типичные солнечные батареи сделаны из очень дорогих ультрачистых подложек монокристалла кремния, толщина которых должна быть как минимум 100 микрометров, чтобы поглотить большую часть солнечного света, тогда как наша радиальная геометрия позволяет нам эффективно захватить свет с помощью решеток нано-проводов, изготовленных из кремниевых пленок толщиной всего-навсего приблизительно 8 микрон" - говорит он. "Кроме того, наш подход должен в принципе позволить нам использовать металлургический или "грязный" кремний, а не ультрачистые кремниевые кристаллы, что еще больше снизит стоимость получаемой энергии."
Янг описал это исследование в работе, опубликованной в журнале NANO Letters, которая была подготовлена в cоавторстве с Эриком Гарнеттом, химиком, который был тогда членом исследовательской группы Янга.
Получение электроэнергии из солнечного света
В основе всех солнечных батарей два раздельных слоя материала, один с преобладанием электронов, функционирующий как отрицательный полюс, и один с преобладанимем электронных дырок (положительно заряженные энергетические пространства), играющие роль положительного полюса. Когда фотоны от солнца поглощаются, их энергия используется для того, чтобы создать электронно-дырочные пары, которые в последствии выделяются в области раздела между этими двумя слоями и выделяются как электрический ток.
Благодаря его исключительным фотоэлектронным свойствам, кремний остается единственным фотоэлектрическим полупроводником, но растущий на него спрос значительно раздул цену на сырье. Кроме того, из-за требующейся высокой степени очистки кристаллов, изготовление даже самой простой кремниевой солнечной батареи - сложный, энергоемкий и дорогостоящий процесс.
Янг и его группа способны понизить количественные и качественные требования, предъявляемые к кристаллам кремния, путем использования вертикальных решеток нано-структурированных радиальных p-n-переходов вместо традиционных плоских p-n-переходов. В радиальном p-n-переходе слой кремния n-типа формирует оболочку вокруг ядра нано-проводов из кремния p-типа. В результате фото-возмущенные электроны и дырки проходят намного более короткие расстояния к электродам, устраняя узкое место в виде носителя заряда, которое часто возникает в типичной кремниевой солнечной батареи. Результаты измерений фототока и оптического пропускания показали, что радиальная решетка, созданная Янгом и Гарретом, значительно повышают эффективность захвата солнечной энергии.
"Так как у каждого индивидуального нано-провода в решетке есть p-n-переход, каждый действует как индивидуальная солнечная батарея" - говорит Янг - "Регулируя длину нано-проводов в наших решетках, мы можем увеличить их эффективную захватывающую свет длину."
В то время как эффективность преобразования этих солнечных нано-проводов составляет только приблизительно пять - шесть процентов, Янг говорит, что эта эффективность была достигнута незначительными усилиями в области поверхностного пассивирования, антиотражающих, и других увеличивающих эффективность изменений.
"С дальнейшими усовершенствованиями, наиболее важными в поверхностном пассивировании, мы думаем, что возможно выжать эффективность более 10 процентов" - говорит Янг.
Комбинируя 10-процентную или даже лучшую конверсионную эффективность с пониженным расходом кремния и возможностью использовать металлургический кремний, можно добиться от использования кремниевых нано-проводов того, что эта технология сделает возможным получение солнечной электроэнергии в промышленных масштабах.
Еще один положительный момент отмечает Янг: "Наша технология может использоваться на уже существующих производствах солнечных батарей."
Это исследование финансировалось Центром Национального Научного Фонда Интегрированных Наномеханических Систем.
