Тонкие как бритва фотоэлектрические элементы могут быть весьма недорогими в промышленном производстве, однако их толщины недостаточно для самостоятельного захвата, необходимого для эффективной генерации электрической энергии, света. А ведь эффективность даже полноценных солнечных батарей и так относительно небольшая. Однако толщина солнечной батареи является весьма важным фактором, сдерживающим популяризацию этого вида генераторов, и ученые непрестанно работают над оптимизацией конструкции фотоэлектрических элементов.
И на сегодняшний день уже есть существенные успехи в этой области. Совсем недавно ученые смогли создать сразу несколько путей уменьшения толщины фотоэлектрических элементов без потерь эффективности в сравнении с традиционными аналогами. Для этого предлагается использоваться вспомогательные структуры невероятно малого размера – их длина не превышает длину световой волны видимого диапазона.
Главной целью ученых является поиск путей применения такого малого количества нового материала для эффективного впитывания света. Материалы, обладающие достаточной эффективностью для этого, например полупроводники на оксидах элементов III–IV групп или кристаллический кремний, невероятно дороги, поэтому их использование в больших объемах экономически нецелесообразно. Другие же материалы, как, например, аморфный кремний, стоимость которого относительно невысокая, не обеспечивают требуемой эффективности, и энергия света в них слишком быстро превращается в тепловую энергию. Очевидным является тот факт, что при малой толщине рабочей среды, носители заряда будут достигать ее границ в очень короткий срок, что негативным образом скажется на производстве элементом электрической энергии. Кроме того, уменьшение толщины фотоэлектрического элемента в значительной степени повышает вероятность сквозного прохождения фотона сквозь нее, что неумолимо снизит общую эффективность всей батареи.
Доступные на сегодняшний день коммерческие батареи, выполненные с использованием кристаллического кремния, могут быть довольно тонкими – 180 мкм толщиной. Однако, современный рынок предъявляет повышенные требования к производителям фотоэлектрических элементов, отчего наблюдается заметный спрос на 50 мкм фотоэлектрические элементы. Лаборатория г-на Фана решила не размениваться по мелочам, и целью проекта определили создание фотоэлектрических элементов, толщина которых должна быть 1-2 мкм. В теории специализированные методики, такие как нанесение конкретных или случайных текстур на поверхность фотоэлектрических элементов, способны в пятьдесят раз увеличить показатель эффективности абсорбции светового излучения. Такие показатели должны быть достигнуты благодаря изменению углов прохождения света через энергетическую ячейку. Кроме того, применение методов нанофотоники позволит добиться дополнительного десятикратного увеличения производительности.
Одним из таких методов является плазмоника. Сталкиваясь с металлическими структурами небольшого размера, фотоны способны образовывать плазмоны – коллективные колебания в металле свободного электронного газа. Данный эффект способен существенно увеличить рассеивание света внутри фотоэлектрического элемента, благодаря чему эффективность абсорбции фотонов также возрастает. Аспиранткой Калифорнийского технологического университета, что в Соединенных Штатах, Вивианой Ферри, не так давно было сделано заявление, что ее группа может создавать плазмоны, используя специальные выпуклости на контактах солнечной батареи в виде полусфер, выполненные из аморфного кремния. Приблизительные размеры таких сфер – 90 мкм. Она также отметила, что проведенные с наноструктурированным продуктом испытания, позволяют смело утверждать о увеличении тока на пятнадцать процентов, чем современная солнечная батарея аналогичных параметров со случайно текстурируемой поверхностью.
Потенциально перспективным также является метод использования фотонных кристаллов, для создания специальной отражающей конструкции. Периодическое изменение коэффициента преломления фотонных кристаллов позволяет получить запрещенные и разрешенные зоны для фотонов, обладающих различной энергетической сигнатурой. Иными словами, подобный кристалл может использоваться в качестве рефлектора или оптического фильтра. При попадании на него фотона, длина волны которого не соответствует разрешениям, фотон не распространяется в кристалле, а отражается от рефлектора. Размещаются такие отражатели, как в средней части фотоэлектрического элемента, так и в задней. Многократные отражения фотонов высокой интенсивности становятся причиной заметных световых колебаний внутри кремниевой пластины, благодаря чему вероятность конвертации фотонов в электрическую энергию многократно увеличивается.
Другая фотонно-кристаллическая схема основывается на применение очень маленьких кремниевых кристаллических структур, слой которого соединяется со слоем более дешевого аморфного кремния. Бельгийский исследователь, Оунси Эль-Дейфа, занимающийся разработкой данной технологии в микроэлектронном центре IMEC в городе Левене, утверждает, что максимальная теоретическая эффективность абсорбции фотонов с использованием этого метода составляет тридцать семь процентов.{odnaknopka}