Уменьшение количества солнечного света, отражающегося от поверхности солнечных элементов, помогает максимально увеличить преобразование солнечных лучей в электричество, поэтому производители используют покрытия для уменьшения отражений. Сейчас ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США показывают, что травление наноразмерной текстуры на кремниевый материал само по себе создает антибликовую поверхность, которая работает, а также самые современные тонкопленочные многослойные покрытия. Их метод, имеет потенциал для оптимизации производства кремниевых солнечных батарей и снижения производственных затрат. Этот подход может найти дополнительное применение в снижении бликов от окон, обеспечении радиолокационной маскировки военной техники и повышении яркости светодиодов.
Предотвращение отражений требует контроля резкого изменения "показателя преломления" - свойства, которое влияет на то, как волны, такие как свет, распространяются через материал. Это происходит на границе раздела фаз, где встречаются два материала с очень разными показателями преломления, например, на границе раздела воздуха и кремния. Добавление покрытия с промежуточным показателем преломления на границе раздела фаз облегчает переход между материалами и уменьшает отражение.
Проблема использования таких покрытий для солнечных элементов заключается в том, что полностью захватывается каждый цвет светового спектра внутри устройства независимо от направления его поступления. Но каждый цвет светлых пар лучше всего сочетается с различным антибликовым покрытием, и каждое покрытие оптимизировано для света, исходящего из определенного направления. Поэтому вы решаете эти проблемы, используя несколько антибликовых слоев.
Для вдохновения ученые обратились к известному образцу антибликовой поверхности в природе, глазам обычных бабочек. Поверхности их сложных глаз имеют текстурированные узоры, состоящие из множества крошечных "столбиков", каждый из которых меньше длины волны света. Эта текстурированная поверхность улучшает ночное видение бабочек, а также предотвращает отражение "оленей в фарах", что может позволить хищникам обнаружить их.
"Мы решили воссоздать модели глаз мотылька в кремнии еще меньших размеров, используя методы нанотехнологий", - сказал Атикур Рахман, доктор наук, работающий с Black в CFN.
Ученые начали с нанесения на верхнюю поверхность кремниевого солнечного элемента полимерного материала под названием "блок-сополимер", который может быть изготовлен для самоорганизации в упорядоченную структуру поверхности с размерами всего в десятки нанометров. Самодельный шаблон служил шаблоном для формирования столбов солнечных элементов, подобных столбам в глазу бабочки, с использованием плазмы реактивных газов - техники, широко используемой при изготовлении полупроводниковых электронных схем.
Полученная нанотекстура поверхности позволила постепенно изменить показатель преломления, резко урезав отражение многих длин волн света одновременно, независимо от направления попадания света на солнечный элемент.
"Добавление этих нанотекстур превратило блестящую кремниевую поверхность в абсолютно черную", - сказал Рахман.
Текстурированные таким образом солнечные элементы превосходят элементы, покрытые одной антибликовой пленкой примерно на 20 процентов, и проливают свет на устройство, а также на лучшие многослойные покрытия, используемые в промышленности.
"Мы работаем над тем, чтобы понять, есть ли экономические преимущества в сборке кремниевых солнечных батарей с помощью нашего метода по сравнению с другими, устоявшимися процессами в отрасли", - сказал Блэк.
Скрытый слой объясняет лучшую производительность, чем ожидалось.
Одним из интересных аспектов исследования было то, что ученые достигли антибликового эффекта, создав наночастицы только в два раза ниже требуемой высоты, прогнозируемой математической моделью, описывающей этот эффект. Поэтому они обратились к коллегам из CFN и другим ученым Брукхейвена за помощью в разгадке этой тайны.
Используя сочетание компьютерного моделирования, электронной микроскопии и науки о поверхности, группа пришла к выводу, что тонкий слой оксида кремния, подобный тому, что обычно образуется при контакте кремния с воздухом, оказывает чрезмерное воздействие.
На ровной поверхности этот слой настолько тонк, что его эффект минимален, но на наномассированной поверхности, с тонким оксидным слоем, окружающим все стороны нанотекстуры, оксид может иметь больший эффект, поскольку он составляет значительную часть нанотекстурированного материала.
В настоящее время ученые заинтересованы в разработке метода самосборки на основе нанотекстуры для других материалов, включая стекло и пластик, для антибликовых окон и покрытий для солнечных панелей.