18.11.2017
Наноструктура крыла Pachliopta aristolochiae может переноситься на солнечные элементы и повышать объем поглощения до 200 %.
Солнечный свет, который поглощают солнечные батареи, частично теряется, как неиспользуемая энергия. Крылья бабочки Pachliopta aristolochiae пронизаны наноструктурами (наноотражателями), они помогают им поглощать свет в широком спектре гораздо эффективнее, чем это делают гладкие поверхности. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) решили перенести эти наноструктуры на солнечные элементы, чтобы увеличить их интенсивность поглощения света до 200 %. Ученые рассказали о результатах своей работы в журнале Science Advances.
«Изучаемая бабочка очень темная, это означает, что она прекрасно поглощает солнечный свет для оптимального управления теплом. Потенциал переноса этих структур, которые помогают ей достичь высокого уровня поглощения, на солнечные панели, оказался намного выше, чем ожидалось», - говорит д-р Хендрик Холшер из Института микроструктурных технологий КИТ (IMT).
Ученые из команды Хендрика Хольшера и Радванала Сиддика (ранее KIT, теперь Caltech) воспроизводили наноструктуры бабочки в поглощающем кремниевом слое тонкопленочного солнечного элемента. Последующий анализ поглощения света дал многообещающие результаты: по сравнению с гладкой поверхностью скорость поглощения перпендикулярно падающего света выросла на 97%, и она непрерывно возрастает до 207%, при угле падения в 50 градусов.
«Это особенно актуально для европейских условий. Часто у нас есть рассеянный свет, который практически не падает на солнечные элементы под вертикальным углом», - говорит Хендрик Холшер.
Однако это не означает, что эффективность фотоэлектрической системы можно повысить за счет этого фактора. Гийом Гомар из IMT отмечает, что «Здесь важную роль играют и другие факторы, поэтому 200 % следует рассматривать как теоретический предел для повышения эффективности».
До переноса наноструктур на солнечные элементы исследователи определили диаметр и расположение наноотверстий на крыле бабочки с помощью сканирующего электронного микроскопа. Затем они проанализировали скорости поглощения света для различных структур отверстий при компьютерном моделировании.
Ученые обнаружили, что неупорядоченные отверстия с различными диаметрами, найденные на крыльях черной бабочки, дают наиболее высокую скорость поглощения всего спектра под переменными углами падения, по отношению к расположенным упорядочено мононизированным наноотверстиям. Поэтому на тонкопленочном поглотителе исследователи расположили отверстия с диаметром от 133 до 343 нанометров беспорядочно.
В проекте исследователи работали с гидрированным аморфным кремнием. Однако, по их мнению, любой тип тонкопленочной фотоэлектрической технологии можно улучшить с помощью таких наноструктур, в том числе в промышленных масштабах.
Тонкопленочные фотоэлектрические модули представляют собой экономически привлекательную альтернативу традиционным солнечным элементам из кристаллического кремния, поскольку светопоглощающий слой у них тоньше в 1000 раз, и, следовательно, материала требуется намного меньше.
Тем не менее, скорость поглощения света у тонких слоев ниже, чем у кристаллических кремниевых клеток. Следовательно, их целесообразно использовать в системах, нуждающихся в небольшой мощности, таких как карманные калькуляторы или часы. Более высокая впитываемость сделала бы тонкопленочные ячейки более привлекательными и для больших объектов, таких, как фотоэлектрические системы на крышах.