Разработаны солнечные батареи из черного кремния

Солнечные батареи преобразуют три четверти энергии, содержащейся в солнечном спектре, в электричество.

И все же инфракрасный спектр полностью утрачен в стандартных солнечных батареях. В противовес им, черные кремниевые солнечные батареи специально созданы для поглощения этой части солнечного спектра. Недавно ученые успешно удвоили их эффективность.

Солнце сверкает на небе, и солнечные батареи на крыше преобразуют эту энергию в электричество. Однако это еще не все: около четверти солнечного спектра состоит из инфракрасного излучения, которое не конвертируется обычными солнечными батареями — так это излучение теряется. Одно из решений состоит в использовании черный кремний — материал, поглощающий почти весь солнечный свет, включая инфракрасные волны, и преобразующий их в электричество. Однако откуда он берется? «Черный кремний производится с помощью облучения обычного кремния фемтосекундным лазером в серосодержащей атмосфере», пояснил доктор Стефан Контерман, глава исследовательской группы „Наноматериалы для преобразования энергии“ в Фраунгоферском институте. „Воздействие структурирует поверхность и внедряет атомы серы в кремниевую решетку, за счет чего итоговый материал кажется черным“.

Если производители оборудуют солнечные батареи черным кремнием, это существенно повысит эффективность изделий, позволяя им использовать весь солнечный спектр.

И вот недавно ученые удвоили эффективность таких батарей, которые теперь могут производить больше электричества из инфракрасного спектра. „Мы добились этого, изменив форму используемого для облучения кремния лазерного импульса“, сказал Контерман. Это позволило ученым решить ключевую проблему черного кремния: в нормальном кремнии инфракрасному свету недостает энергии, чтобы стимулировать электроны в группы проводимости и преобразовать их в электричество, однако сера, включенная в черный кремний, формирует своего рода промежуточный уровень. Можно сравнить это с восхождением на стену: в первый раз мы терпим неудачу, поскольку стена слишком высока, однако во второй преодолеваем ее в два шага благодаря использованию промежуточного уровня. В случае с серой этот промежуточный уровень не только помогает электронам преодолеть стену, но и работает в обратном направлении, позволяя электронам из группы проводимости перепрыгивать промежуточный уровень назад, а не вперед, за счет чего электричество вновь теряется. Изменив лазерный импульс, который внедряет атомы серы в атомную решетку, ученые способны сменить позиции, которые эти атомы занимают в решетке, и меняют высоту их уровней или, другими словами, энергетический уровень. „Мы используем лазерный импульс, чтобы изменить внедрение серы для максимизации числа электронов, которые могут подняться вверх, и минимизировать тех, что могут вновь спуститься“, подытожил Контерман.

Призовой проект

На первой стадии разработки ученые изменили лазерный импульс и стали исследовать, как это повлияло на свойства черного кремния и эффективность солнечных батарей, сделанных из данного материала. Теперь они воздействуют на использование различных форм лазерных импульсов и анализируют, как это изменяет энергетический уровень серы. В будущем они надеются, что система алгоритмов автоматически определит, как необходимо изменить лазерный импульс, чтобы добиться максимальной эффективности. Проект „Customized light pulses“ (настраиваемые световые импульсы) стал одним из победителей конкурса 365 Places in the Land of Ideas, церемония награждения которого состоится 11 октября сего года.

Исследователи уже успешно создали опытные образцы солнечных батарей из черного кремния, и следующим шагом они должны попытаться объединить их с коммерческой технологией. „Мы надеемся увеличить эффективность реализуемых солнечных батарей, которая в настоящее время достигает примерно семнадцати процентов, на один процент, комбинируя их с черным кремнием“, сказал Контерман. У обычной солнечной батареи исследователи просто удалят заднюю часть и внедрят черный кремний, создав батарею, которая будет содержать оба вида кремния. Также ученые намерены продать лазерную систему, которую производители солнечных батарей смогут использовать для роста производства, самостоятельно изготавливая черный кремний и внедряя его в солнечные батареи.

10.10.2012