Полупроводниковая структура максимизирует поглощение солнечного света

Команда исследователей из университета Северной Каролины (США) создали «суперпоглощающую» структуру («superabsorbing»), способствующую максимизации эффективности поглощения света в тонкоплёночных солнечных фотоэлементах и снижению производственных затрат.

Новое решение может привести к снижению толщины полупроводниковых материалов, используемых в тонкоплёночных фотоэлементах более чем на один порядок без ухудшения характеристик поглощения солнечного света.

«Для увеличения поглощения света в передовых тонкоплёночных фотоэлементах используется аморфный полупроводниковый слой с толщиной около 100 нм, – отмечает Лин Ю Сяо, профессор кафедры материаловедения и прикладных наук университета Северной Каролины, а также автор работы, объясняющей суть решения. – Структура, которую мы предлагаем, может собирать 90% солнечного света при толщине полупроводникового аморфного слоя лишь 10 нм».

Как отметил Сяо, при использовании нового решения эффект «суперпоглощения» достигается в связке и с другими материалами. Необходимая производительность достигается при толщине слоя теллурида кадмия в 50 нм. Кроме того, для полного поглощения солнечного света в схеме может быть предусмотрен 30-нм слой селенида меди-индия-галлия.

Сяо отметил, что процесс напыления полупроводниковых материалов является узким местом при повышении производительности труда и снижении стоимости тонкоплёночных фотоэлементов. Так как теперь при производстве фотоэлементов будет использоваться меньше материала, процесс напыления ускорится. Снижение толщины полупроводниковых материалов на 1 порядок будет означать значительное повышение производительности труда и снижение стоимости.

Если рассмотреть сечение новой структуры, то можно увидеть несколько слоёв. Поглощающий свет полупроводниковый материал покрывает прямоугольное ядро структуры. Он, в свою очередь, покрыт тремя слоями материала, препятствующего отражению света.

Для разработки структуры исследователи при помощи методик задержки света изучали максимальную эффективность светопоглощения различных полупроводниковых материалов. Они пришли к выводу, что для максимального поглощения света требуется структура, в которой эффективность задержки солнечных лучей будет равна внутренней эффективности поглощения полупроводникового материала.

Новая структура имеет напоминающие срез луковицы слои для эффективной задержки лучей за счёт полупроводниковых материалов, применяемых в тонкоплёночных фотоэлементах.

«Сначала мы теоретически предсказали максимальный уровень поглощения солнечного света для заданных материалов. Затем предложили структуру, которую можно быстро изготовить. Мы использовали новую модель, потому что понимали, что существующие решения не могли достичь верхнего порога поглощения света, – отмечает Сяо. – И если всё будет работать именно так, как мы полагаем, то новая структура решит фундаментальные проблемы эффективности поглощения солнечного света в тонкоплёночных фотоэлементах».