Сконструированы тончайшие фотоэлементы

Недостатком тонкопленочных фотоэлементов (устройств для превращения солнечной энергии в электрическую) является снижение их отдачи: более тонкие фотоэлементы дешевле в изготовлении, но уменьшение толщины слоя полупроводника приводит к потере его светоудерживающей способности. Ученым из Калифорнийского Технологического Института (California Institute of Technology, США) удалось повысить свойство тонких пленок поглощать свет, что позволит использовать слои, толщина которых до 100 раз меньше таковой слоев, используемых в настоящий момент в коммерчески доступных устройствах.

Теоретический предел удержания светового луча, называющийся также лучевым оптическим пределом, определяет максимальное количество света, которое способен удержать материал. Однако для достижения максимального значения лучевого оптического предела необходима определенная толщина материала [1]. Ученые создали тонкопленочные фотоэлементы с поглощающими слоями толщиной всего в десятки нанометров. Однако по сравнению с традиционными фотоэлементами, разработанные тонкие пленки способны пропускать больше света до момента его поглощения.

В своей статье, опубликованной в журнале Nano Letters ученые утверждают, что разумно сконструированные тонкие слои помогают фотоэлементам преодолеть лучевой оптический предел [2]. Когда толщина слоев меньше длины волны видимого света (400-700 нм), материал взаимодействуют с его волновыми свойствами вместо того, чтобы пропускать свет как прямой луч. «В этом режиме, при котором создаваемые нами структуры равны или ниже значений длины волны света, неожиданно меняются все законы», - говорит руководитель исследования Гарри Этуотер (Harry Atwater). В этом случаев способность материала поглощать свет в большей степени зависит от волновых взаимодействий между светом и поглотителем, чем от толщины материала.

С помощью расчетов и компьютерного моделирования команда Этуотера продемонстрировала, что увеличить способность материала поглощать свет можно с помощью создания большего числа «оптических состояний» для света. Они похожи на пазы, способные принимать свет с определенной длиной волны, и напоминают энергетические уровни электронов в атомах. Отчасти количество оптических состояний в материале зависит от его индекса преломления, определяющего то, насколько материал сокращает длину волны проходящего через него света. Чем выше индекс преломления, тем больше уплотняется свет, и тем больше оптических состояний может поддерживать материал.

В 2010 г. Шануй Фэн (Shanhui Fan) из Стэнфордского Университета (Stanford University, США) и его коллеги установили, что число оптических состояний является главным фактором, определяющим количество света, который способен поглотить материал [3]. Они изучали материал с низким индексом преломления, отграниченный слоем материала с высоким индексом преломления. Ученые обнаружили, что на границе раздела материал с высоким индексом преломления оказывает влияние на материал с низким индексом и позволяет ему поглотить больше света.

Команда Этуотера воплотила в жизнь его идею, показав, что повышение числа оптических состояний поможет многим тонкопленочным поглотителям света абсорбировать больше света, чем в обычных условиях. Результаты исследования также показали, что достичь этого можно разными способами: путем покрытия поглощающего слоя металлом или кристаллической структурой с масштабом длины волны света, а также путем погружения поглотителя в более сложную трехмерную матрицу. С помощью различных механизмов каждая из этих стратегий повышает эффективный индекс преломления поглотителя.

Роберт Коллинз (Robert Collins), ученый из Университета Толедо (University of Toledo, США), работающий с молодой компанией Xunlight Ohio, занимающейся тонкопленочными фотоэлектрическими технологиями, считает, что концепция команды Этуотера – существенный шаг вперед. Но он предупреждает о предстоящих технологических сложностях, например, необходимости дополнительных производственных этапов создания и контроля пленок в субмикрометрической шкале в промышленных условиях.



Тонкопленочные фотоэлементы будут адаптированы для поглощения большего количества света (фото: V. Ferry/Atwater Group/FOM Institute AMOLF/University of Utrecht/Philips)

Оригинальный текст: Kate McAlpine

По материалам NatureNews

Литература:
1. Yablonovitch, E. J. Opt. Soc. Am. 72, 899–907 (1982).
2. Callahan, D. M., Munday, J. N. & Atwater, H. A. Nano Lett. (2011).
3. Yu, Z. F., Raman, A. & Fan, S. H. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 17491–17496 (2010).