Российские учёные создали недорогой фотоэлемент
Прототип солнечного элемента перед испытаниями фотоэлектрической эффективности. Источник: пресс-служба ИАПУ ДВО РАН
Российские учёные создали недорогой фотоэлемент, позволяющий эффективно преобразовывать энергию солнечного света в электричество. В конструкции использованы доступные и дешёвые материалы: сталь, кремний, магний и кальций, благодаря чему разработка экономически более выгодна, чем существующие аналоги. Она может применяться в солнечных батареях, встраиваемых в крыши и фасады зданий, что позволит возводить дома, почти не требующие дополнительных источников электроэнергии. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials.
Фотоэлектрические устройства — другими словами, солнечные батареи, — встроенные в крыши и фасады зданий, становятся всё более популярными, поскольку они позволяют получать электроэнергию без вреда для окружающей среды. Чаще всего такие устройства состоят из керамической, стеклянной или полимерной подложки, на которую нанесены светопоглощающие слои кремния и других полупроводниковых материалов. Однако такая технология довольно дорогая, поэтому в качестве альтернативы для подложки пытаются использовать сталь. Солнечные элементы на стальных подложках имеют один недостаток: из-за шероховатой поверхности и больших токов утечки они демонстрируют довольно низкую эффективность. Чтобы компенсировать это, нужны специальные выравнивающие и защитные барьерные слои.
Учёные из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Дальневосточного федерального университета (Владивосток) с коллегами из Университета Токай (Япония) предложили новый метод нанесения тонких слоев кремния и силицида магния на текстурированную стальную подложку. Он позволил получить солнечный элемент с эффективностью преобразования света в ток около 7,5%, что сопоставимо с показателями солнечных батарей, изготавливаемых на подложках из других материалов. Так, авторы сначала текстурировали образцы стали фтороводородной кислотой, то есть придали им определённый рельеф, чтобы получить антиотражающую поверхность и защитную пленку из оксида железа. Далее на неё в вакуумной камере наносились светопоглощающие слои кремния и силицида магния, а также верхний проводящий слой дисилицида кальция.
Физики проанализировали микроструктуру поверхности и оптические свойства полученных образцов на разных этапах создания фотоэлемента. Так, текстурированная сталь имела высокую шероховатость с большим количеством впадин и возвышений. При этом она отражала всего 7% падающего света, а остальной поглощала, что позволило использовать её для дальнейшего нанесения светопоглощающих слоёв. После напыления кремния и силицида магния отражение от поверхности образцов увеличилось до 16%.
Схема нанесения светопоглощающих слоёв на стальную подложку. Источник: Shevlyagin et al. / Materials, 2022
Чтобы компенсировать эти потери и улучшить преобразование энергии света в электричество, учёные использовали полупрозрачный слой из дисилицида кальция, который так же, как и стальная подложка, служил одним из электрических контактов солнечного элемента. В результате светопоглощающие слои оказались между двумя электродами: текстурированной сталью с одной стороны и дисилицидом кальция с другой. Проведя тесты при освещении, авторы определили, что эффективность полученного солнечного элемента составляет 7,5%.
«Это можно назвать хорошим результатом, учитывая, что наша разработка более экономически выгодна, чем другие солнечные элементы, поскольку в ней используются дешёвые и доступные материалы. В дальнейшем мы планируем оптимизировать фотоэлементы, подобрав оптимальную толщину входящих в них слоёв и их легирование, то есть состав примесей», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
