Сверхпоглощающая конструкция может уменьшить толщину полупроводниковых материалов, используемых в тонкопленочных солнечных элементах, более чем на один порядок без ущерба для способности поглощения солнечного света.«Современным тонкопленочным солнечным элементам требуется слой аморфного кремния толщиной около 100 нанометров (нм), чтобы улавливать большую часть доступной солнечной энергии», — говорит доктор Линью Цао, доцент кафедры материаловедения и инженер в NC State и старший автор статьи с описанием работы. «Предлагаемая нами структура может поглощать 90 процентов доступной солнечной энергии, используя только слой аморфного кремния толщиной 10 нм.«То же самое верно и для других материалов. Например, вам нужен слой теллурида кадмия толщиной один микрометр для поглощения солнечной энергии, но наша конструкция может достичь тех же результатов со слоем теллурида кадмия толщиной 50 нм.
Наша конструкция также может позволить слою селенида меди, индия, галлия толщиной 30 нм полностью поглощать солнечный свет. Это огромный прогресс ».Цао отмечает, что нанесение полупроводниковых материалов является основным препятствием для повышения производительности производства и снижения стоимости тонкопленочных солнечных элементов. «Уменьшение толщины полупроводниковых материалов на один порядок будет означать существенное повышение производительности производства и снижение стоимости», — говорит Цао, поскольку в элементах будет использоваться меньше материала, а тонкие пленки можно будет осаждать быстрее.
В поперечном сечении новая конструкция похожа на прямоугольную луковицу. Светопоглощающий полупроводниковый материал покрывает прямоугольную сердцевину. Полупроводник, в свою очередь, покрыт тремя слоями антибликового покрытия, которое не поглощает свет.Чтобы разработать дизайн, исследователи начали с изучения максимальной эффективности поглощения света полупроводниковыми материалами с использованием методов улавливания света.
Они обнаружили, что для максимального поглощения солнечного света требуется конструкция, в которой эффективность улавливания солнечного света равна собственной эффективности поглощения полупроводниковых материалов. Другими словами, чтобы максимизировать поглощение солнечного света, вам необходимо согласовать количество солнечного света, удерживаемого внутри конструкции, и количество солнечного света, которое может быть поглощено.
Затем исследователи спроектировали луковичные структуры так, чтобы их эффективность улавливания света соответствовала эффективности поглощения полупроводниковых материалов в тонкопленочных солнечных элементах.«Сначала мы теоретически предсказали максимальную эффективность поглощения солнечного света в данных полупроводниковых материалах, а затем предложили конструкцию, которую можно было бы легко изготовить для достижения предсказанного максимума.
Мы разработали новую модель для выполнения этой работы, потому что мы чувствовали, что существующие модели не соответствуют "может найти верхний предел поглощения солнечного излучения настоящими полупроводниковыми материалами", — говорит Цао.«Сверхабсорбирующая структура разработана для удобства изготовления, и мы ищем партнеров для создания и тестирования этой конструкции», — добавляет Цао. «Структура должна быть очень простой в изготовлении с использованием стандартных методов осаждения тонких пленок и нанолитографии.
Мы рады работать с партнерами в отрасли над внедрением этой конструкции в производство солнечных элементов следующего поколения».