Поглотитель света для солнечных элементов следующего поколения получили в лаборатории оптики и электрофизики

Учёные из лаборатории оптики и электрофизики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН 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, а так же распространены зарубежными и российскими федеральными средствами массовой информации.

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.

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»