Наноструктурированное антибликовое покрытие для солнечных элементов из арсенида галлия
Аккумулятор Challenger A12-120
Испанская исследовательская группа продемонстрировала широкополосное антибликовое покрытие для солнечных элементов из арсенида галлия. Наноструктурированное покрытие на основе термически окисленных наночастиц галлия снизило коэффициент отражения на 30 % во всём солнечном спектре и повысило эффективность солнечных элементов на 10 %.
СЭМ-изображения свежеосаждённых наночастиц галлия на подложке из арсенида галлия до (а) и после термического окисления (б)
Исследователи под руководством команды из Мадридского технического университета (ISOM-UPM) продемонстрировали широкополосное антибликовое покрытие (ARC) для солнечных элементов на основе арсенида галлия. Наноструктурированное покрытие было создано на основе термически окисленных наночастиц галлия.
«В отличие от обычных плазмонных металлических наночастиц, которые могут вызывать паразитное поглощение, полностью окисленные наночастицы оксида галлия (GaxOy-NPs) сохраняют морфологию наночастиц и действуют как нерезонансные полностью диэлектрические активные резонаторы», — рассказал Серхио Каталán Гомес, автор исследования.
«Эти наночастицы GaxOy снижают коэффициент отражения примерно на 30 % во всём солнечном спектре и повышают внешнюю квантовую эффективность солнечных элементов и плотность тока короткого замыкания примерно на 10 %», — заявил он.
Исследование, подробно описанное в статье «Термически окисленные наночастицы галлия как широкополосные антибликовые покрытия для солнечных элементов на основе арсенида галлия», опубликованной в Оптических материалах, основано на более ранних работах с наночастицами галлия, но с упором на технологию окисления и создания диэлектрических наночастичных слоёв для обеспечения антибликовых свойств. По словам Каталана Гомеса, эта работа предлагает «новый взгляд на масштабируемые оксидные наноструктурированные покрытия для фотовольтаики».
«Хотя плазмонные наночастицы галлия обладают привлекательными свойствами рассеивания света, их практическое применение в солнечных элементах на основе GaAs ограничено, поскольку плазмонные резонансы могут накладываться на спектр поглощения элемента, вызывая потери», — объяснил Каталан Гомес.
В поисках альтернативы с «морфологическими преимуществами этих наночастиц, но без плазмонных потерь» выбор пал на оксид галлия. Оксид галлия оказался «отличным» кандидатом благодаря своему показателю преломления и широкой запрещённой зоне.
Группа изготовила солнечные элементы из арсенида галлия собственными силами, используя стандартные методы фотолитографии и металлизации, чтобы результаты исследования отражали характеристики устройств, которые они контролировали на всех этапах производства и нанесения покрытия.
«Затем мы нанесли наночастицы галлия непосредственно на переднюю поверхность этих изготовленных по индивидуальному заказу ячеек и провели оксидирование для получения наночастиц GaxOy», — рассказал Каталан Гомес. Этот процесс позволил точно настроить оптические свойства как по размеру, так и по покрытию поверхности.
Результаты показали, что при «начальном радиусе наночастицы менее ∼30 нм» происходит полное окисление без нарушения структурной целостности. Это было подтверждено микроскопическим анализом.
Моделирование на основе измерений с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) точно воспроизвело экспериментальные спектры, подтвердив правильность оптической модели. «Полученные наночастицы GaxOᵧ имеют однородную, гладкую морфологию, необходимую для предсказуемого оптического поведения и надёжной антибликовой защиты», — заявили исследователи.
«При нанесении на солнечные элементы из арсенида галлия эти покрытия обеспечивают воспроизводимое повышение внешней квантовой эффективности и плотности тока короткого замыкания в среднем примерно на 10 %», — отметили они, добавив, что контрольные эксперименты подтвердили, что прирост происходит «исключительно за счёт присутствия этих окисленных наночастиц».
При дальнейшем обсуждении результатов группа подчеркнула, что технология без использования плазмонов совместима со стандартной обработкой устройств и что оптическое покрытие с градиентным показателем преломления «отлично подходит» для фотоэлектрических элементов на основе соединений III и V.
В исследовании приняли участие учёные из Университета Кадиса.
Для будущих исследований представляет интерес оптимизация антибликовых свойств и получение более крупных стабильных наночастиц GaxOy. Кроме того, по словам Каталана Гомеса, приоритетными направлениями будущей работы являются интеграция этих покрытий в другие солнечные элементы с многослойными соединениями III-V и долгосрочные исследования стабильности в условиях эксплуатации.