Физики изготовили «новый черный» поглотитель света для солнечных элементов следующего поколения
Российские ученые создали новый материал на основе черного кремния, покрытого силицидом магния (Mg2Si). Он демонстрирует отличные антиотражающие и светопоглощающие свойства (до 96% падающего света) в широком спектральном диапазоне, что важно для создания солнечных элементов и инфракрасных фотодетекторов нового поколения с повышенной энергоэффективностью. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах высокорейтингового журнала Applied Surface Science.
В основе солнечной энергетики — «зеленой» альтернативы традиционной углеводородной — лежит использование солнечных элементов, которые преобразуют энергию падающих фотонов в электрический ток. Самый популярный материал для создания солнечных элементов — кремний, а особенно перспективна его так называемая черная форма. Последняя представляет собой кристалл с наноконусами на поверхности — такая структура способна хорошо поглощать свет и лишь незначительно его отражать, что и обусловливает ее цвет. Однако из-за особенностей энергетической структуры (диапазона возможных энергий электронов в материале) есть серьезные ограничения для поглощения ближнего инфракрасного излучения — значительной части солнечного света.
«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», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Сотрудники ИАПУ ДВО РАН (Владивосток) вместе с коллегами из Дальневосточного федерального университета (Владивосток), Института химии ДВО РАН (Владивосток) и Института физики полупроводников СО РАН (Новосибирск) изучили структуру и оптические свойства полученного наноструктурированного материала, который назвали черным силицидом. Предложенный метод нанесения слоя силицида магния не меняет исходную геометрию черного кремния, также давая возможность нарастить на нем кристаллы иной формы, придающие новые свойства, что и показали авторы.
В сравнении с исходным черным кремнием материал отражает примерно в пять раз меньше света (3,7%) и поглощает не менее 88% излучения в спектральном диапазоне 200–1800 нм, тем самым захватывая весь видимый свет, большую часть ультрафиолета и значительную часть инфракрасного, которые доходят до Земли от Солнца. После оптимизации подхода удалось достичь максимального значения для поглощения в 96%, что сравнимо с другими известными ультрачерными материалами.
«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», — подводит итог Александр Шевлягин.