Нанотехнология самоочищающихся противоотражательных покрытий для фотоэлементов подсказана устройством глаза моли

 


Противоотражательные покрытия стали одной из наиболее серьезных проблем в массовом производстве солнечных батарей. Основным видом фотоэлементов на рынке сегодня являются кремниевые фотоэлементы. Они состоят из слоев кремния n-типа с множеством свободных электронов и кремния р-типа со множеством электронных дырок. При освещении солнцем на границе между слоями n-типа и р-типа образуется одинаковое число электронов и дырок, электроны начинают движение в сторону слоя кремния р-типа, соответственно возникает электрический ток.

Одной из важных проблем кремния в таком применении является его высокий показатель преломления, что приводит к отражению с границы кристалла порядка 30% падающего света. Разработчики и изготовители солнечных батарей используют различные виды покрытий, уменьшающих нежелательный эффект отражения света (противоотражательные покрытия – ПОП). На сегодня промышленным стандартом ПОП для подложек из кристаллического кремния являются четвертьволновые пленки нитрида кремния, напыленные плазмо-химическими методами. К сожалению, современные литографические методы, применяемые в процессе изготовления субдлинноволновых кремниевых решеток, например, электроннолучевая литография, нано-контактная литография и интерференционная литография, требуют весьма сложного оборудования и очень дороги, что добавляет стоимости и без того не дешевым кремниевым фотоэлементам.

Проведя ряд исследований, ученые решили позаимствовать у Природы идею нанотехнологичного противоотражательного покрытия, которую навеяло устройство глаз моли.

Группа исследователей из Департамента Инженерной Химии Университета Флориды (Department of Chemical Engineering at the University of Florida) разработала новую масштабируемую технологию изготовления коллоидных кристаллов с неплотной упаковкой.

Коммерческие ПОП из нитрида кремния обычно разрабатываются в целях эффективного подавления отражения, в основном, на длине волны порядка 600 нм. Потери на отражение быстро растут в ближней инфракрасной области спектра и в других частях видимого диапазона, которые содержат значительную часть энергии падающего солнечного излучения. В противоположность этому, новое субдлинноволновое структурированное в соответствии с конструкцией глаза моли ПОП, которое прямым способом изготавливается на поверхностях подложек кремния, работает в широком спектре длин волн и является прочным по сравнению с другими ПОП, поскольку не использует никаких инородных материалов.

Группа из Флориды разработала простой и масштабируемый способ изготовления шаблонов для субдлинноволновых ПОП. Глаза моли снабжены гексагональными сетками неплотно-пакетированных пупырышков в качестве противоотражательных покрытий для того, чтобы ослабить отражение от глаз. Ученые, используя методы коллоидного моделирования, создали конструкцию аналогичного типа, которая работает как ПОП и на кремниевых и на стеклянных подложках.

Наружная поверхность роговицы глаза моли, играющая роль линзы, состоит из сетки конусообразных пупырышков, называемых роговичными сосками, обычно высотой менее 300 нм и примерно таким же расстоянием между ними. Эти наборы сосков создают дифференцированные и различные по поверхности глаза показатели преломления света, что приводит к существенному уменьшению отражения света в широком диапазоне длин волн.

Созданные сетки конусообразных пупырышков имеют очень высокое соотношение числа сосков на единичных вертикальном и горизонтальном отрезках и демонстрируют превосходные антиотражательные характеристики. В своей публикации авторы также обращают внимание на то, что результаты по изготовлению прозрачных полимерных ПОП по типу глаза моли, известны уже некоторе время, однако, низкое соотношение числа сосков (порядка 0,5) на единичном вертикальном и единичном горизонтальном отрезках в известной разработке и не позволило получить впечатляющих результатов по подавлению паразитного отражения света.

В целом, подход группы заключался в следующем. Исследователи использовали простой и масштабируемый спин-метод нанесения покрытий для получения коллоидных монослоев из частиц диоксида кремния, расположенных в гексагональном порядке на кремниевых подложках. Этот шаблон затем использовали в качестве маски для реактивного ионного травления.

Поскольку скорость травления диоксида кремния значительно ниже, чем у кремния в условиях реактивного ионного процесса, частицы диоксида кремния предохраняют участки кремния, находящиеся прямо под ними, от растворения. Это приводит к формированию столбчатой структуры непосредственно на поверхности подложки. Когда столбчатая структура становится достаточно рельефной, процесс вытравливания прекращают.

Авторы утверждают, что предложенный способ прост и весьма технологичен, а также легко применим в промышленности, что делает его перспективным для разработки самочистящихся ПОП в огромном диапазоне приложений.


Источник: NanoNewsNet