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.

Однако проведённые Яблоновичем расчёты 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.

Рис. 1. Моделирование «плазмонного» солнечного элемента (иллюстрация авторов работы).

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, либо 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.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Dennis M. Callahan, Jeremy N. Munday, and Harry A. Atwater Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. – Nano Lett. – 2012. – 12(1). – pp 214–218; DOI: 10.1021/nl203351k; Publication Date (Web): December 12, 2011.*