Цветосенсибилизированные тонкопленочные солнечные элементы дешевле в производстве, чем обычные ячейки из кремния, но они все еще относительно неэффективны.
Эту неприятность попытались исправить исследователи из Стэнфордского университета (США) под руководством Майкла Макги, которые воспользовались специально спроектированным металлическим отражателем. Им удалось повысить эффективность сенсибилизированных красителей солнечных элементов с твердым электролитом на 5–20% (в зависимости от красителя).
Отражатель представляет собой тонкую серебряную пленку с массивом наноразмерных вмятин. Пленкой покрывается задняя поверхность ячеек, в результате чего внутри элемента удерживается больше света.
Цветосенсибилизированные тонкопленочные элементы с эффективностью преобразования света в электричество на уровне 11% недавно вышли на рынок. Но в них используется жидкий электролит, который нестабилен и к тому же может вытечь. Ячейки с твердым электролитом до сих пор показывали лишь 5-процентный результат.
Солнечные батареи на основе красителя состоят из полупроводниковых нанокристаллов (обычно из диоксида титана), которые покрыты молекулами красителя и вместе с электролитом зажаты между стеклянными или пластиковыми листами. Краситель поглощает свет и создает электроны, а также положительно заряженные дырки. Кристаллы передают электроны одному электроду для получения электрического тока, а электролит отводит дырки к другому электроду.
Твердые электролиты не столь эффективны, как жидкие, потому что в них электроны и дырки рекомбинируют с большей легкостью. Чтобы предотвратить это, слой диоксида титана делают очень тонким — около двух микрометров. Но чем тоньше ячейка, тем быстрее свет проходит через нее, не поглощаясь должным образом. Исследования, нацеленные на повышение эффективности этих элементов, как правило, сосредоточены на разработке более сильных красителей и новых типов нанокристаллов. Г-н Макги и его коллеги первыми использовали плазмонные отражатели.
Плазмонами называются кванты колебаний плазмы на поверхности металла при возбуждении светом. Изменяя форму поверхности, можно контролировать тип возникающих плазмонов, что в свою очередь влияет на то, как свет взаимодействует с веществом.
Стэнфордский рефлектор имеет выпуклости, которые создают плазмоны, отражающие некоторые солнечные лучи под углом 90˚. Вместо того чтобы отразиться от серебра и выйти из ячейки, свет рассеивается назад и вперед внутри клетки, давая красителю больше времени на его поглощение.
Исследователи изготовили свое устройство следующим образом: покрыли стекло с прозрачными проводящими электродами, на которые нанесли слой наночастиц диоксида титана. Затем они взяли кусок кварца, покрытый выступами шириной 600 нм и высотой 200 нм, и прижали его к диоксиду титана, создав в нем крошечные углубления. После этого были добавлены слои краски и серебра.
«Это первый случай, когда плазмонные структуры были применены к твердотельным цветосенсибилизированным солнечным элементам с существенным увеличением эффективности ячейки», – признает Кайли Кэчпол, научный сотрудник Австралийского национального университета.
Наноподушечки на кварцевой пластинке (здесь и ниже фото авторов работы).
Цветосенсибилизированные тонкопленочные солнечные элементы дешевле в производстве, чем обычные ячейки из кремния, но они все еще относительно неэффективны.
Эту неприятность попытались исправить исследователи из Стэнфордского университета (США) под руководством Майкла Макги, которые воспользовались специально спроектированным металлическим отражателем. Им удалось повысить эффективность сенсибилизированных красителей солнечных элементов с твердым электролитом на 5–20% (в зависимости от красителя).
Отражатель представляет собой тонкую серебряную пленку с массивом наноразмерных вмятин. Пленкой покрывается задняя поверхность ячеек, в результате чего внутри элемента удерживается больше света.
Цветосенсибилизированные тонкопленочные элементы с эффективностью преобразования света в электричество на уровне 11% недавно вышли на рынок. Но в них используется жидкий электролит, который нестабилен и к тому же может вытечь. Ячейки с твердым электролитом до сих пор показывали лишь 5-процентный результат.
Солнечные батареи на основе красителя состоят из полупроводниковых нанокристаллов (обычно из диоксида титана), которые покрыты молекулами красителя и вместе с электролитом зажаты между стеклянными или пластиковыми листами. Краситель поглощает свет и создает электроны, а также положительно заряженные дырки. Кристаллы передают электроны одному электроду для получения электрического тока, а электролит отводит дырки к другому электроду.
Твердые электролиты не столь эффективны, как жидкие, потому что в них электроны и дырки рекомбинируют с большей легкостью. Чтобы предотвратить это, слой диоксида титана делают очень тонким — около двух микрометров. Но чем тоньше ячейка, тем быстрее свет проходит через нее, не поглощаясь должным образом. Исследования, нацеленные на повышение эффективности этих элементов, как правило, сосредоточены на разработке более сильных красителей и новых типов нанокристаллов. Г-н Макги и его коллеги первыми использовали плазмонные отражатели.
Плазмонами называются кванты колебаний плазмы на поверхности металла при возбуждении светом. Изменяя форму поверхности, можно контролировать тип возникающих плазмонов, что в свою очередь влияет на то, как свет взаимодействует с веществом.
Стэнфордский рефлектор имеет выпуклости, которые создают плазмоны, отражающие некоторые солнечные лучи под углом 90˚. Вместо того чтобы отразиться от серебра и выйти из ячейки, свет рассеивается назад и вперед внутри клетки, давая красителю больше времени на его поглощение.
Исследователи изготовили свое устройство следующим образом: покрыли стекло с прозрачными проводящими электродами, на которые нанесли слой наночастиц диоксида титана. Затем они взяли кусок кварца, покрытый выступами шириной 600 нм и высотой 200 нм, и прижали его к диоксиду титана, создав в нем крошечные углубления. После этого были добавлены слои краски и серебра.
«Это первый случай, когда плазмонные структуры были применены к твердотельным цветосенсибилизированным солнечным элементам с существенным увеличением эффективности ячейки», – признает Кайли Кэчпол, научный сотрудник Австралийского национального университета.
science.compulenta.ru