211service.com
Zmniejszenie odblaskowości krzemu
Krzemowe ogniwa słoneczne odbijają około jednej trzeciej światła, które mogłyby potencjalnie przekształcić w energię elektryczną. Nowa nanostrukturalna powłoka opracowana przez naukowców z Rennselaer Polytechnic Institute (RPI) w Troy w stanie Nowy Jork redukuje te odbicia do zaledwie 4 procent. Profesor fizyki stosowanej Shawn-Yu Lin a jego koledzy obliczają, że powłoka może zwiększyć wydajność krzemowego ogniwa słonecznego w przekształcaniu światła w energię elektryczną o prawie 43 procent. Swoje wyniki przedstawili w październiku 29 Optyka litery papier.
Bez lustra: Siedmiowarstwowa powłoka antyrefleksyjna o grubości 700 nanometrów na płytce krzemowej zmniejsza odbijanie światła słonecznego przy niemal wszystkich długościach fal i pod każdym kątem. Powłoka może zwiększyć wydajność krzemowych ogniw słonecznych.
Nowa powłoka zapewnia antyrefleksję dla światła słonecznego wpadającego pod niemal każdym kątem i przy każdej długości fali światła słonecznego, mówi Lin. To struktura różnych warstw materiału o grubości 700 nanometrów, którą naukowcy hodują na płytce krzemowej. Wielowarstwowa powłoka zmniejsza odbicie fal widzialnych i bliskiej podczerwieni, które krzem może przekształcić w energię elektryczną.
Producenci ogniw słonecznych stosują obecnie cienką warstwę azotku krzemu do ograniczania odbicia. Ale warstwa eliminuje odbicie w bardzo wąskim zakresie długości fal – jej grubość dyktuje zakres. Innym problemem jest to, że działa dobrze tylko w przypadku światła wpadającego pod pewnymi kątami. Wafle krzemowe pokryte azotkiem krzemu odbijają blisko 20 procent padającego na nie użytecznego światła.
Lin i jego koledzy wcześniej zaprojektowali podobną powłokę dla azotku aluminium, który jest używany do produkcji diod elektroluminescencyjnych. Nowa powłoka została jednak zaprojektowana specjalnie dla krzemu, materiału szeroko stosowanego w ogniwach słonecznych. Powłoka składa się z siedmiu warstw: dwie dolne wykonane są z tlenku tytanu, trzy środkowe z różnych mieszanek krzemionki i tlenku tytanu, a dwie górne z ukośnych prętów krzemionki w nanoskali.
Odbicie na styku dwóch materiałów, w tym przypadku powietrza i krzemu, zależy od różnicy ich współczynników załamania – zdolności materiału do zginania światła. Zmniejszenie różnicy zmniejsza odbicie. Powietrze ma współczynnik załamania światła równy 1, a krzem 3,5. Naukowcy wykorzystują warstwy, aby rozbić tę lukę na mniejsze kroki. Górna warstwa nanoprętów krzemionkowych ma indeks 1,09, a schodząc, każda warstwa ma kolejno większy indeks. Sekwencyjny układ wielowarstwowej nanostruktury umożliwia miękkie lądowanie światła słonecznego na ogniwie słonecznym, mówi Lin. Światło stopniowo ugina się coraz bardziej w miarę przechodzenia przez każdą warstwę, a mniej odbija się z powrotem w powietrze.
Naukowcy umieszczają skośne nanopręty krzemionkowe w dwóch górnych warstwach, trzymając płytkę pod kątem. Kontrolując kąty nanoprętów, naukowcy kontrolują porowatość materiału, tworząc warstwy o wyjątkowo niskich współczynnikach załamania.
Lin i jego grupa w RPI nie są jedynymi, którzy pracują nad tym problemem. Peng Jiang , profesor inżynierii chemicznej na University of Florida, tworzy powłoki antyrefleksyjne poprzez wytrawianie powierzchni krzemu, tworząc szereg maleńkich krzemowych filarów, które mają mniej niż 300 nanometrów wysokości. Nasze najlepsze próbki odbijają mniej niż 1 procent światła, więc powierzchnia wygląda na całkowicie ciemną, mówi Jiang. Jego praca wzbudziła zainteresowanie europejskich producentów ogniw słonecznych, a teraz tworzy start-up do produkcji powłoki na większą skalę.
Lin mówi, że powłoka zwiększyłaby koszt ogniwa słonecznego o kilka punktów procentowych – nie więcej niż przyczyniają się do tego obecne warstwy azotku krzemu. Naukowcy planują teraz stworzenie bardziej wytrzymałych powłok nadających się do użytku z ogniwami słonecznymi.