Ученые удешевили фотоэлементы, применив стальную текстурированную подложку

Недорогой фотоэлемент для эффективного преобразования солнечной энергии в электричество разработала команда ученых из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН, Дальневосточного федерального университета и японского университета Токай, сообщает 6 октября портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу Российского научного фонда.

Дешевизна нового фотоэлемента по сравнению с аналогами обеспечивается за счет использования в его конструкции доступных и дешевых материалов — стали, кремния, магния и кальция.

Такие фотоэлементы могут использоваться в солнечных батареях, установленных на крышах и фасадах зданий, что позволит строить дома, почти не требующие дополнительных источников электроэнергии.

Результаты исследования разработанной конструкции представлены в статье «Текстурированная нержавеющая сталь как платформа для черных солнечных элементов с гетеропереходом MgSi/Si с улучшенными фотоэлектрическими характеристиками», опубликованной в журнале Materials.

Фотоэлектрические устройства, иначе — солнечные батареи, стали популярными из-за стремления получить электроэнергию без вреда для окружающей среды. Например, их встраивают в крыши и фасады зданий.

Типовая структура такого устройства состоит из керамической, стеклянной или полимерной подложки с нанесенными на нее светопоглощающими слоями кремния и других полупроводниковых материалов.

Такая технология требует довольно больших затрат, что стимулирует поиски ее удешевления, в том числе с помощью замены материала подложки на сталь. Однако солнечные элементы на стальных подложках имеют недостаток — низкую эффективность из-за шероховатой поверхности и больших токов утечки.

Компенсировать этот недостаток пытаются с помощью специальных выравнивающих и защитных барьерных слоев. Команда дальневосточных исследователей предложила наносить на текстурированную стальную подложку тонкие слои кремния и силицида магния.

Новая структура позволила получить фотоэлемент с эффективностью преобразования света в ток около 7,5%, что соответствует показателям применяемых солнечных батарей.

Текстурирование подложки выполнялось с помощью фтороводородной кислоты, что придавало образцам стали определенный рельеф, необходимый для получения антиотражающей поверхности, и создавало защитную пленку из оксида железа.

На такую подложку в вакуумной камере наносились светопоглощающие слои кремния и силицида магния и верхний проводящий слой дисилицида кальция.

Анализ микроструктуры поверхности показал, что такая текстурированная сталь обладала высокой шероховатостью с большим количеством впадин и возвышений и отражала всего 7% падающего света, что позволило использовать ее для дальнейшего нанесения светопоглощающих слоев.

Напыление кремния и силицида магния увеличило степень отражения до 16%. Чтобы компенсировать эти потери и улучшить преобразование энергии света в электричество, ученые применили полупрозрачный слой из дисилицида кальция в качестве электрического контакта фотоэлемента.

Другим контактом служила подложка из стали. Таким образом, светопоглощающие слои оказались между двумя электродами — текстурированной сталью с одной стороны и дисилицидом кальция с другой.

Эксперименты с солнечным светом показали, что была достигнута эффективность фотоэлемента в 7,5%.

Руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Шевлягин заявил:

«Это можно назвать хорошим результатом, учитывая, что наша разработка более экономически выгодна, чем другие солнечные элементы, поскольку в ней используются дешевые и доступные материалы».

В дальнейшем ученые намерены оптимизировать структуру фотоэлементов, подобрав оптимальную толщину входящих в них слоев и их легирование, то есть состав примесей.