Нанотекстура уподобляет поверхность кремния глазу бабочки
Уменьшение количества света, отражающегося от поверхности солнечных батарей, позволяет увеличить выдаваемую ими электроэнергию. Поэтому многие производители стараются свести отражение к минимуму, применяя антирефлективные покрытия.
Как показали ученые из Брукхэвенской национальной лаборатории, создание нанотекстуры на самом кремниевом материале батарей дает тот же эффект, что и наиболее совершенные многослойные тонкопленочные покрытия.
Их методу посвящена публикация в журнале Nature Communications. Наряду с оптимизацией и удешевлением производства солнечных элементов, эта технология может найти применение и в других областях: для уменьшения бликов от оконных стекол, радарного камуфляжа военной техники и увеличения яркости светодиодов.
Для борьбы с отражением требуется сглаживание резкого изменения коэффициента преломления материала на границе двух сред (например, воздуха и кремния). Просветляющие покрытия обычно состоят из материала с промежуточным коэффициентом преломления, благодаря чему интерфейс между средами «размывается». Каждое из них оптимально для света с определенной длиной волны, падающего под определенным углом. Инженеры компенсируют этот недостаток, используя несколько антирефлективных слоев, что усложняет производство и повышает себестоимость солнечных батарей.
В поисках лучшего решения ученые обратились к живой природе. Так, для улучшения ночного зрения бабочек поверхность их фасеточных глаз испещрена множеством мельчайших столбиков с габаритами меньше длины волны света.
«Мы решили воплотить текстуру глаза бабочки в кремнии, в более мелком масштабе, используя методы нанотехнологии», — рассказывает первый автор статьи, Атикур Рахман (Atikur Rahman).
Для этого ученые покрыли поверхность солнечной батареи так называемым блочным сополимером. Этот материал самоорганизуется в структуру с размером деталей порядка десятков нанометров, образуя шаблон для формирования в кремнии нужных выступов с помощью стандартной промышленной технологии плазмохимического травления.
Получившаяся нанотекстура использовалась для постепенного изменения коэффициента преломления и обеспечивала резкое снижение отражения одновременно для многих длин волн, независимо от угла падения света на поверхность фотоэлектрической панели. «С этими нанотекстурами обычно блестящая поверхность кремния становилась абсолютно черной», — отметил Рахман.
По эффективности действия такие солнечные элементы примерно соответствуют батареям с лучшим в индустрии многослойным покрытием и на 20% превосходят устройства с одиночной антирефлективной пленкой.
Теперь команда Брукхэвенской лаборатории работает над переносом нового метода создания нанотекстур на другие материалы, включая стекло и пластик, для получения антибликовых окон и защитных покрытий солнечных панелей.