Нанотехнологии в солнечной энергетике

Нанотехнологии активно используются уже в ФЭП второго и третьего поколений. Так, например, основным недостатком ФЭП на основе аморфного кремния является деградация физических свойств элемента в результате воздействия солнечной радиации. Для повышения стабильности фотоэлементов в некоторых технологиях стали применять не обычный аморфный кремний, а двухфазный материал, с включениями микро– или нанокристаллов кремния в базовую аморфную матрицу. Микрокристаллический или нанокристаллический кремний получают при добавлении в расплав водорода. Кроме двухфазных созданы также микроморфные элементы, которые представляют собой гибридные ячейки из аморфного и микрокристаллического или нанокристаллического кремния. Сочетая преимущества обоих видов кремния, такие элементы обладают более высоким КПД и стабильностью, чем элементы из только аморфного кремния.

Одно из основных направлений создания органических солнечных батарей связано с использованием полупроводниковых сопряженных полимеров. Для реализации объемного гетероперехода в таких батареях необходим донорно-акцепторный композит полимера (донора) с акцепторным материалом. В качестве последнего часто используют производные фуллеренов С₆₀. Следует отметить, что фуллерены C₆₀ и его органические производные обладают относительно низким поглощением в видимой области спектра, что ограничивает эффективность преобразования солнечной энергии тонким полимер-фуллереновым композитом. Лучшими показателями в этом отношении обладают высшие фуллерены, например С₇₀, которые имеют существенно более высокий коэффициент поглощения. Помимо низкого оптического поглощения в видимой области спектра, фуллерены обладают недостаточной временной стабильностью. Наноморфология полимер-фуллеренового композита меняется со временем – оптимальное разделение фаз полимера и фуллерена может нарушаться, ухудшая параметры гетероперехода. Предпринимаются попытки найти более подходящие акцепторы для полимерных фотоэлементов. В качестве таких акцепторов исследуют нанотрубки, фуллереновые димеры и другие наночастицы.

Как уже отмечалось, в органическихФЭПтребуется, чтобы диффузионная длина экситонов превышалахарактерную длину поглощения оптического излучения, иначе большая часть сгенерированных экситонов будет рекомбинировать раньше, чем из них образуются пары из электрона и дырки, тем самым никакого вклада в фототок эти экситоны не создадут. Стандартная толщина активного слояв органических ФЭП примерно 100 – 300 нм, поскольку она обеспечивает практически полное поглощение излучения в спектральной полосе вблизи длины волны 530 нм. Как показывают расчеты, требуется уменьшить толщину активного слоя до 50 нм. Одним из возможных решений, позволяющих увеличить поглощение света в сверхтонких активных слоях, является применение металлических наночастиц. Из-за большого электромагнитного поля в непосредственной близости таких наночастиц увеличивается вероятность диссоциации экситонов на электрон и дырку проводимости. Кроме того, увеличивается доля поглощенных фотонов за счет рассеяния. Поскольку оптические свойства наночастиц в значительной степени зависят от их размера, существует возможность «настроить» максимум поглощения такой солнечной ячейки на различные области электромагнитного спектра.

В качестве примера практической реализации такой идеи, ученые из University of Arizona (США) создали органическую солнечную ячейку, содержащую наночастицы золота диаметром 50 нм. Эффективность преобразования энергии в этих ячейках оценивалась одновременно по трем факторам: доли поглощения фотонов, эффективности диссоциации экситонов и эффективности сбора заряда на электродах. Включение металлических наночастиц позволило значительно повысить первый и второй показатель. Как считают ученые, третий показатель может быть увеличен за счет дальнейшего уменьшения толщины активного слоя. В общей сложности, с помощью золотых наночастиц ученым удалось добиться существенного повышения эффективности преобразования энергии (при той же толщине активного слоя). Если сравнить созданную учеными солнечную батарею с активным слоем толщиной 50 нм (содержащим наночастицы) с условно «стандартной» органической батареей с активным слоем толщиной 120 нм, то новое устройство позволило повысить эффективность до 30 %.

В солнечных батареях на основе органических красителей внешний электрод должен быть прозрачным и обладать хорошей электропроводностью. Наиболее часто для этого используют оксид индия-олова (ITO), который обеспечивают транспортировку носителей заряда от частиц диоксида титана в цепь нагрузки фотоэлемента. Данный материал электрода имеет определенные недостатки: он очень хрупок и быстро трескается, имеет малую устойчивость к механическому воздействию и, помимо прочего, обладает значительной стоимостью. Около шестидесяти процентов стоимости современных солнечных батарей, основанных на использовании органических красителей, приходится именно на электрод из ITO. Кроме того, индий является чрезвычайно редким элементом и его стоимость непрерывно возрастает.

Поэтому актуальными являются исследования, направленные на поиск качественных и дешевых материалов для электродов. Одним из вариантов являются пленки из углеродных нанотрубок, которые являются достаточно прочными, гибкими и почти полностью прозрачными. Вместе с тем, нанотрубки из углерода обладают и недостатком – носители фотосгенерированного заряда в них могут вступать в рекомбинацию с ионами раствора красителя, что негативным образом сказывается на конечной эффективности преобразования энергии. Для преодоления этого недостатка предложено использовать тонкую пленку диоксида титана между пористым слоем и нанторубками.

Другим вариантом является использование графена. Инженеры Массачусетского технологического института (США) создали гибкие гибридные фотоэлементы на основе графенаи нанофиламентов оксида цинка. Устройство состоит из одноатомного слоя графена, покрытого защитным полимерным слоем. На нем расположены нанофиламенты оксида цинка, покрытые квантовыми точками из сульфида свинца. Графен выступает в качестве прозрачного электрода, через который в устройство попадает свет, а квантовые точки являются поглотителями излучения. Применение графена вместо неорганического оксида индия-олова сделало новое устройство гибким. Эффективность прототипа достигает 4,2 %. Следует отметить, что в аналогичном устройстве с электродом из углеродных нанотрубок эффективность не превышала 1 %.

К солнечным элементам третьего поколения относят солнечные элементы с квантовыми точками (КТ). Введение КТ узкозонного полупроводникового материала (например, InAs) в солнечный элемент, изготовленный из широкозонного полупроводникового материала (например, GaAs), позволяет достичь эффективности более 70 % за счет суммирования энергии 2-х длинноволновых квантов света, которые не поглощаются в материале широкозонного полупроводника, но поглощаются материалом КТ (рис. 3.112).

Технология изготовления таких наногетероструктур включает выращивание массива КТ из узкозонного материала с поверхностной плотностью до 10¹² см^-2 на монокристаллической подложке широкозонного матричного материала. Затем массив КТ сверху заращивается наноразмерным слоем матричного материала (спейсерным слоем). Многократное последовательное повторение стадий выращивания массивов КТ и спейсерных слоев, позволяет сформировать активную часть наногетероструктур (рис. 3.112а).

Рис. 3.112. Структура солнечного элемента с КТ (а) и схема оптических переходов (б)

Аналогичный подход, основанный на использовании свойств КТ, применяют при создании каскадных ФЭП, в которых несколько однопереходных солнечных элементов с различной шириной запрещенной зоны последовательно соединены через коммутационные туннельные диоды в многопереходные (каскадные) гетероструктурные солнечные батареи. Это обеспечивает эффективное поглощение фотонов определенного диапазона энергий каждым элементом каскада, в результате чего достигается более высокая эффективность преобразования солнечной энергии. Однако, возрастание количества элементов каскада приводит к усложнению конструкции ФЭП, увеличению числа гетерограниц и коммутационных туннельных диодов, что влечет за собой увеличение последовательного сопротивления ФЭП и рост внутренних потерь. Кроме того, для создания высокоэффективных многопереходных солнечных элементов существует ограниченное количество материалов, обеспечивающих согласование постоянных кристаллических решеток.

Альтернативный подход на основе полупроводниковых структур с самоорганизующимися КТ позволяет задействовать весь спектр солнечного излучения, но более простыми средствами. Этому способствует дискретный характер энергетических уровней в КТ, положением которых можно управлять, меняя размеры, форму КТ и состав матрицы – слой, окружающий КТ. Тем самым можно контролируемо модифицировать край зоны поглощения дополнительного перехода на КТ, что позволит расширить спектральный диапазон чувствительности и увеличить фототок ФЭП на КТ.

В последнее время наметился прогресс в создании ФЭП на основе наноантенн, напрямую преобразующих электромагнитную энергию светового излучения в электрический ток. Перспективность наноантенн обусловлена их высоким теоретическим КПД (до 85 %) и потенциально более низкой стоимостью. Наноантенна – это коллектор электромагнитного излучения, предназначенный для поглощения энергии определенной длины волны, пропорциональной размеру наноантенны. Резонансная частота антенны (частота, на которой система обладает самой высокой эффективностью) растет с ее физическими размерами в соответствии с теорией антенн СВЧ. Размеры наноантенны в экспериментальных преобразователях таковы, что они поглощают энергию в основном в инфракрасной части спектра. Солнце излучает много тепловой энергии именно в инфракрасном диапазоне, часть ее поглощается землей и другими объектами, а позже излучается в течение многих часов после заката. Это позволяет использовать наноантенны с более высокой эффективностью, чем обычные солнечные батареи.

Нанесение наноантенн на гибкий пластик делает их применение гораздо более удобным и многовариантным по сравнению с распространенными сейчас кремниевыми панелями – от покрытия крыш домов до полиэтиленовых пакетов. К тому же использование недорогих материалов при массовом производстве сделают такую батарею дешевле обычного коврика. Но при всех этих преимуществах конструкция не лишена недостатков: частота генерируемого инфракрасным излучением тока слишком велика для обработки современными электронными компонентами. Поэтому для массового выпуска солнечных батарей на основе наноантенн требуется решить проблему создания новой элементной базы. Кроме того, современные наноантенны изготавливаются методом электронно-лучевой литографии, поскольку требуется выдерживать размеры с точностью на уровне 1 – 2 нм. Этот технологический процесс является довольно продолжительным и дорогостоящим, к тому же в нем невозможно одновременно изготовить несколько наноантенн. Эта технологическая проблема также требует своего решения.