Saulės elementas iš esmės yra puslaidininkis, įspraustas tarp metalinių kontaktų, kurie perduoda elektros srovę, išgautą iš saulės šviesos. Tačiau tokia įprastinė konstrukcija turi akivaizdų trūkumą, mat blizgus kontaktų metalas iš tikrųjų atspindi dalį į paviršių krentančios saulės šviesos, taip sumažindamas paties saulės elemento našumą.
Saulės elementas iš esmės yra puslaidininkis, įspraustas tarp metalinių kontaktų, kurie perduoda elektros srovę, išgautą iš saulės šviesos.
Tačiau tokia įprastinė konstrukcija turi akivaizdų trūkumą, mat blizgus kontaktų metalas iš tikrųjų atspindi dalį į paviršių krentančios saulės šviesos, taip sumažindamas paties saulės elemento našumą.
Laimei, Stanfordo universiteto (JAV) mokslininkai sugalvojo, kaip paslėpti blizgiuosius kontaktus ir nukreipti šviesą tiesiai į puslaidininkinę saulės elemento dalį. Jų darbas, publikuotas žurnale „ACS Nano“, gali tapti svarbiu proveržiu tobulinant šiuos įrenginius.
„Taikydami nanotechnologijas, mes sukūrėme naują metodą, leidžiantį viršutinius metalinius kontaktus paversti praktiškai nematomais krentančiai šviesai, – pasakoja pagrindinis straipsnio autorius Vidžėjus Narasimhanas (Vijay Narasimhan). – Mūsų naujasis metodas galėtų gerokai padidinti saulės elementų našumą ir kartu sumažinti jų kainą.“
Silicio stulpeliai, išlindę pro nanometrinio dydžio aukso plėvelės skylutes, nukreipia 97 procentus saulės šviesos į silicio padėklą. Ši technologija galėtų gerokai padidinti įprastinių saulės elementų našumą.
Daugelyje saulės elementų viršutinį kontaktą sudaro metalinių vielučių tinklas, perduodantis elektros srovę į įrenginį arba iš jo. Bet šios vielutės taip pat blokuoja dalį saulės šviesos paprastai iš silicio gaminamam puslaidininkiui.
Kuo daugiau ant paviršiaus metalo, tuo labiau blokuojama šviesa – ji tiesiog prarandama ir negali būti paversta į elektros srovę.
„Panašu, jog dėl metalinių kontaktų negalimas kompromisas tarp elektrinio laidumo ir optinio skaidrumo, – toliau tęsia mokslininkas. – Tačiau mūsų sukurta nanostruktūra viską pakeičia.“
Tyrimų metu Stanfordo universiteto mokslininkų komanda 16 nanometrų storio auksinę plėvelę sumontavo ant plokščio silicio lakšto. Auksinėje plėvelėje buvo suformuota daugybė kvadratinių nanometrinio dydžio skylučių, kurios žmogaus akiai visiškai nepastebimos, tad paviršius ir toliau atrodė kaip žvilgus veidrodis.
Optinė analizė atskleidė, jog taip modifikuota auksinė plėvelė padengė 65 procentus silicio paviršiaus ir vidutiniškai atspindėjo 50 procentų saulės šviesos. Tyrėjai suprato, kad jeigu kažkaip pavyktų paslėpti atspindinčiąją plėvelę, saulės elemento puslaidininkį pasiektų gerokai daugiau šviesos.
Sprendimas pasirodė esąs nesudėtingas – užteko užauginti nanometrinio dydžio silicio stulpelius, iškilusius virš auksinės plėvelės ir gebančius nukreipti šviesą prieš šiai pasiekiant metalinį paviršių.
Silicio nanostulpelius galima užauginti vieno žingsnio cheminiu procesu.
„Mes panardinome silicio ir skylėtos auksinės plėvelės darinį į fluoro vandenilio rūgšties ir vandenilio peroksido tirpalą, – į pasakojimą įsiterpia kitas darbo bendraautoris Tomas Himelis (Thomas Hymel). – Auksinė plėvelė savo ruožtu iškart ėmė dubti į silicio padėklą ir galiausiai pro skylutes ėmė ir išlindo silicio nanostulpeliai.“
Kelių sekundžių bėgyje silicio stulpeliai pasiekė 330 nanometrų aukštį, priversdami blizgų auksinį paviršių nusidažyti tamsiai raudona spalva. Toks ryškus spalvos pasikeitimas bylojo apie tai, kad metalas daugiau nebeatspindėjo šviesos.
„Vos silicio nanostulpeliams pradėjus augti, saulės šviesa buvo nukreipta nuo metalinio tinklelio į po apačia esantį silicio padėklą“, – aiškina V. Narasimhanas.
Nanostulpelius galima palyginti su kiaurasamčiu kriauklėje. „Atsukus čiaupą, ne visas vanduo tuojau pat prateka pro kiaurasamčio skylutes. Tačiau jeigu ant kiekvienos skylutės uždėtumėte mažyčius piltuvėlius, didžioji dalis vandens ištekėtų iškart. Būtent taip veikia ir mūsų darinys: nanostulpeliai atitinka piltuvėlius, kurie sugauna saulės šviesą ir nukreipia ją į silicio padėklą pro skylutes, esančia metalinėje plėvelėje.“
Tyrėjų komanda optimizavo visą konstrukciją atlikdami daugybę eksperimentų ir teorinių modeliavimų.
„Metalinės vielutės paprastai dengia nuo 5 iki 10 procentų saulės elemento paviršiaus. Mūsų geriausia konstrukcija išsiskiria tuo, kad beveik du trečdalius jos paviršiaus gali dengti metalas, tačiau nuostoliai dėl atspindžio siekia vos 3 procentus. Turint tiek daug metalo galima tikėtis didesnio elektrinio laidumo, o tai reiškia kur kas didesnį saulės elemento efektyvumą.“
Pavyzdžiui, ši technologija pajėgi padidinti įprastinio saulės elemento našumą nuo 20 iki 22 procentų. Tai išties reikšmingas pokytis.
Mokslininkai toliau planuoja patobulinti realų saulės elementą ir ištirti jo veikimą esant lauko sąlygoms.
Nanostulpelių technologija veikia ir su kontaktais, pagamintais iš sidabro, platinos, nikelio ir kitų metalų.
„Mes juos vadiname paslėptaisiais kontaktais, nes metalas tarsi pradingsta silicio nanostulpelių metamuose šešėliuose. Visiškai nesvarbu, koks bus naudojamas metalas, nes jis praktiškai nematomas krentančiai šviesai.“
Silicis nėra vienintelis puslaidininkis, suderinamas su naująja technologija, todėl galima tikėtis jos panaudojimo ir konstruojant fotojutiklius, šviesos diodus, ekranus bei permatomas baterijas.
„Daugelyje optoelektronikos prietaisų puslaidininkis ir metaliniai kontaktai yra konstruojami atskirai, – pabaigia pasakojimą autoriai. – Mūsų rezultatai leidžia tikėtis, kad šiuos komponentus galima gaminti kartu, užtikrinant efektyvią jų sandūrą.“
