"Шепчущие сферы" из кремния помогут улучшить солнечные батареи

Американские физики разработали особый тип солнечных батарей, основным компонентом которых являются так называемые «шепчущие сферы» – полые шарики из нанокристаллов кремния, чья небольшая масса и высокая эффективность поглощения света поможет удешевить производство преобразователей энергии солнечного излучения в электричество.

И Цуй (Yi Cui) и его коллеги из Стэнфордского университета (США) опубликовали «рецепт» приготовления сфер и первые результаты их испытаний в статье в журнале Nature Communications.

В своей работе группа физиков под руководством Цуя воспользовались эффектом так называемых «шепчущих галерей», секрет которых известен человечеству еще со времен Средневековья. Этот феномен возникает в эллиптических или круглых помещениях – звук в окрестностях стен таких построек распространяется особым образом, благодаря чему даже тихий шепот можно легко услышать у стенки в противоположном конце здания.

Авторы статьи адаптировали этот эффект для захвата фотонов солнечного света и преобразования их энергии в электричество. В качестве «шепчущей галереи» Цуй и его коллеги использовали полые кремниевые сферы диаметром в несколько десятков нанометров, которые изготовляются оригинальным образом.

На первом этапе сборки ученые подготовили небольшие шарики из расплава чистого кварца – диоксида кремния. Затем они покрыли их тонким слоем нанокристаллического кремния и погрузили их в плавиковую кислоту – чрезвычайно агрессивное соединение фтора и водорода. Это вещество разъедает практически любую материю, но не реагирует с чистым кремнием. Благодаря этому кварц растворяется в плавиковой кислоте и покидает тонкую оболочку из кремния, которая остается нетронутой.

По словам исследователей, солнечная панель из таких шариков одинаково эффективно поглощает свет в широком диапазоне частот и эффективность ее работы не зависит от угла падения или поляризации света. Экспериментальная трехслойная батарея поглощала до 75% света в тех участках спектра, где энергия солнечных лучей достигает максимума.

«Нанометровые сферические оболочки оказались лучшими в деле максимизации эффективности поглощения света тонкой пленкой из кремния. Они одновременно позволяют свету проникнуть внутрь и "замуровывают» его внутри себя, что значительно увеличивает долю поглощенной энергии. Более грубые конструкции не могут достичь такой производительности – такова сила нанотехнологий", – пояснил один из участников группы Цзе Яо (Jie Yao) из Стэнфордского университета.

Значительное уменьшение массы исходных материалов и общей стоимости батареи является вторым значительным преимуществом разработки Цуя и его коллег.

«Ингредиенты (для изготовления наносфер – ред.), конечно же, будут стоить и весить лишь 5% цены и массы обычной солнечной батареи. Вполне возможно, что это позволит нам создавать более производительные солнечные батареи из редких металлов и других дорогостоящих реагентов по разумной цене», – заключает Яо.