Показана возможность изготовления высокоэффективных тонких солнечных элементов

Авторы и источники / Правообладателям

Моделирование «плазмонного» солнечного элемента (иллюстрация авторов работы).

Учёные из Калифорнийского технологического института (США) показали, как можно увеличить долю излучения, поглощаемого тонкими солнечными элементами.

Целью исследователей стало преодоление классического предела эффективности «захвата» излучения, который ещё в 1982 году установил Эли Яблонович, рассматривая объёмные однородные полупроводники. Его теория действует в случае простых световых «ловушек», описываемых с позиций геометрической оптики и построенных на эффекте полного внутреннего отражения на границе раздела полупроводника (скажем, кремния с показателем преломления n = 3,5) и окружающей среды — воздуха. Чтобы увеличить длину пути излучения в материале, максимизировать поглощение и приблизиться к фундаментальному пределу, поверхность раздела в таких схемах текстурируют.

Проведённые Яблоновичем расчёты, однако, неприменимы к современным солнечным элементам, которые могут иметь неоднородную структуру и толщину, сильно уступающую длине волны излучения. Здесь, как доказали авторы новой работы, традиционный предел можно преодолеть за счёт увеличения локальной плотности фотонных состояний в поглощающей области устройства.

Американцы также проанализировали разные способы увеличения плотности состояний, установив, что требуемого эффекта можно добиться с помощью металлических покрытий, фотонных кристаллов, размещаемых над или под активным слоем, или плазмонных элементов. Последний вариант разобран на рисунке выше, где показаны результаты расчётов для органического поглощающего слоя P3HT:PCBM толщиной 10 нм, на который наносятся периодические массивы серебряных резонаторов. Красным, оранжевым и синим обозначена доля излучения, поглощаемая при использовании массивов с разными параметрами, серым — показатели «чистого» P3HT:PCBM, чёрным — предел Яблоновича.

Предсказать, когда такие технологии начнут применяться на практике, трудно: модификация структуры солнечного элемента, разумеется, усложняет процесс его изготовления, а вместе с этим растёт и его стоимость.