Как известно, гибкие солнечные батареи из аморфного кремния пока уступают по ряду характеристик батареям из кристаллического кремния, однако последние весьма хрупкие. Совместить положительные качества обоих типов фотоэлементов попытались разработчики описанных ниже новых солнечных элементов.
Поделиться этой страницей в:
В последние годы доля солнечных батарей на рынке альтернативных источников энергии неуклонно растет. Этот факт, несомненно, стимулирует многие научные группы к поиску новых решений для солнечных элементов и их массивов.
В работе "Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent,mechanically flexible and microconcentrator module designs" американскими учеными предложена методика получения ультратонких, гибких, полупрозрачных солнечных элементов на основе монокристаллов кремния. Схема синтеза достаточно проста (рис. 1). Фактически, они предложили собирать солнечную батарею из большого числа миниатюрных фотоэлементов, изготовленных в едином технологическом процессе.
Рис. 1. Пошаговая схема синтеза солнечных элементов (а), оптическое изображение готового устройства (b) и данные сканирующей электронной микроскопии (с).
Травлением исходной кремниевой пластины с последующим допированием получали солнечные элементы, которые далее методом трансферной печати (transfer printing) переносились на гибкую полимерную подложку.
Использованная методика значительно сокращает время производства массивов солнечных элементов на большой площади (порядка 0,5 см2). Печать производилась на специально сконструированном аппарате, который позволял позиционировать изображение с точностью до одного микрона. Визуальный контроль процесса осуществлялся с помощью оптического микроскопа.
Готовые изделия представляют собой тонкие пленки толщиной менее 100 мкм. Отдельные солнечные элементы (рис. 2) имеют толщину порядка 100 нм и поперечные размеры 0,1×1,5 мм. Они располагаются параллельно друг другу и соединены между собой золотыми контактами, которые связывают p и n зоны соседних ячеек.
Рис. 2. Схематическое изображение отдельного элемента, содержащего области, допированные фосфором (n+) и бором (p+).
В процессе синтеза возможно контролировать расстояние между отдельными элементами в полимерной матрице. Это позволяет получать солнечные элементы с различной светопроницаемостью (рис. 3).
Рис. 3. Оптическая фотография солнечного элемента с радиусом изгиба 4,9 мм (а), его схематическое устройство (b) и распределение деформаций на поперечном срезе пленки при изгибе(с).
Увеличение расстояния между элементами, несомненно, снижает мощность, производимую системой. Однако такая конструкция позволяет располагать солнечные батареи в самых неожиданных местах, например вместо оконных стекол. Следует отметить еще одно важное свойство новых устройств. Они легко гнутся (рис. 4) и скатываются в рулоны без потери функциональных свойств. Этот факт значительно упростит в будущем их транспортировку и установку при промышленном использовании.
Рис. 4. Изменение прозрачности пленок при варьировании расстояния между элементами d. (А) Изображения получены при использовании для печати подложки с предварительно нанесенной надписью. Вверху расстояние между элементами 397 микрон, внизу - 26 микрон. (B) Спектры пропускания пленок с различным d. (C) Солнечный элемент с d = 397 мкм.
Мощность полученной системы можно увеличить, если над слоем солнечных микроячеек поместить фокусирующие элементы (рис. 5). В работе использовались цилиндрические линзы с целью формирования одноосного устройства фокусировки солнечного излучения. Такое сочетание позволяет в 2,5 раза увеличить выходную мощность устройства.
Рис. 5. Солнечные элементы с дополнительным слоем фокусирующих линз. Готовая пленка (а) и ее схематическое изображение (b).
Удобная и низкозатратная технология трансферной печати солнечных элементов, предложенная в работе, позволяет снизить стоимость и увеличить производительность процесса синтеза и поэтому является перспективным направлением для дальнейших исследований.
На главную
