Российские физики разработали очень черный материал для солнечных элементов
Новый материал с эффективностью светопоглощения 96% на основе черного кремния, покрытого силицидом магния (Mg₂Si), создали российские ученые, 27 июля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу Российского научного фонда.
Светопоглощающая способность нового материала сохраняется в широком спектральном диапазоне, что очень важно для создания солнечных элементов и инфракрасных фотодетекторов с повышенной энергоэффективностью.
Результаты исследования ученые обнародовали в статье «Mg₂Si — это новый черный цвет: представляем черный силицид со средним поглощением >95% в диапазоне длин волн 200–1800 нм», опубликованной в журнале Applied Surface Science.
Одной из «зеленых» альтернатив традиционной углеводородной энергетике является использование солнечных элементов, преобразующих в электрический ток энергию падающих фотонов.
Наиболее часто для создания таких элементов используется кремний, а особенно перспективной является его черная форма, которая представляет собой кристалл с наноконусами на поверхности, создающими хорошее светопоглощение и обусловливающими ее черный цвет.
Однако особенности энергетической структуры (диапазона возможных энергий электронов в материале) создают для этой формы кремния серьезные ограничения при поглощении ближнего инфракрасного излучения, которое составляет значительную часть солнечного света.
Руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Александр Шевлягин рассказал:
«Мы придумали, как преодолеть их, добавив покрытие из материала с меньшей, чем у кремния, шириной запрещенной зоны. Для этого пришлось, по сути, вырастить целый сад: путем испарения в вакууме мы нанесли на наноконусы черного кремния слой силицида магния, который благодаря особенностям роста формирует силицидную оболочку вокруг наноконусов и шестиугольные чешуйчатые „цветы“ на его остриях. Подход простой, быстрый, масштабируемый и не требует применения высоких температур и сверхвысокого вакуума».
Структуру и оптические свойства полученного наноструктурированного материала, который разработчики назвали черным силицидом, изучили сотрудники владивостокских институтов ДВО РАН — Института автоматики и процессов управления и Института химии, а также новосибирского Института физики полупроводников СО РАН.
Они выяснили, что предложенный метод нанесения слоя силицида магния не меняет исходную геометрию черного кремния, но позволяет нарастить на нем кристаллы иной формы, придающие новые свойства, позволяющие добиться 96-процентного светопоглощения, что и показали авторы статьи.
«Наш черный силицид обладает конкурентными оптическими характеристиками по сравнению с аналогичными материалами, особенно с учетом всех преимуществ методики его изготовления. Также наши расчеты показали, что теоретически можно достичь очень высокой плотности электрического тока — это особенно важно при уменьшении толщины светопоглощающих частей фотоэлементов, к которой стремится весь мир. Мы продолжим эксперименты по оптимизации процесса изготовления нашего материала, в том числе на других структурированных кремниевых подложках и с другими силицидами», — заключил Александр Шевлягин.
