Новая технология заимствует принцип у листьев лотоса

Группа исследователей Технологического Института Джорджии разработали новый способ обработки кремниевых фотоэлементов, увеличивающий поглощение света за счет захвата света трехмерными структурами на поверхности и делающий поверхность самоочищающейся.

Обработка поверхности состоит в двух видах химического травления, приводящих к формирования структур на микронном и нанометровом масштабе. Двухуровневая шероховатость в виде структур микронного и нанометрового размера — подражание гидрофобной поверхности листьев лотоса, которые имеют аналогичные структуры, заставляющие дождевую воду или росу собираться в капли и скатываться с листьев, собирая по дороге всю пыль и грязь.

Кроме того, трехмерная структура способна поглощать больше, а отражать меньше света. Отраженному от гладкой поверхности свету ничто не мешает безвозвратно улететь в пространство. Если же на поверхности есть микрорельеф, значительная часть лучей попадает не на горизонтальную поверхность, а на «сколны» микроскопических «гор». Отражаясь от них лучи со значительной вероятности попадут снова на другие «склоны», и так пока полностью не поглотятся.

Моделирование показало, что можно увеличить общую эффективность элементов более чем на 2% с помощью таких поверхностных структур.

Может показаться, что 2% - очень небольшая велечина. Но примерно 10% света, попадающего на фотоэлемент, рассеивается или поглощается пылью и грязью на его поверхности. Сохраняя поверхность фотоэлемента чистой, в принципе, можно существенно увеличить эффективность. Уменьшение помех от пыли даже на несколько процентов приводит к существенному результату.

Разработчики считают, что даже в пустынных регионах, где постоянный яркий солнечный свет создает идеальные условия для солнечных батарей, ночная роса дает достаточно влаги для очистки поверхности. Полезность такой технологии для солнечных панелей, предназначенных для использования в умеренной полосе и, особенно, в пыльных городах, совершенно очевидна.

Рис. 15 показывает кремниевые пирамидальные структуры полученные травлением в течение одной минуты водным раствором фторводорода и пероксида водорода.

Для получения текстурированной поверхности команда Вонга подвергала поверхность травлению гидроксидом калия, снимающим тонкий слой кремния и образующего пирамидальные структуры. Далее на поверхность наносятся микроскопические частицы золота, играющие роль катализатора во время второй части процесса — обработки поверхности водным раствором фторводорода и пероксида водорода для формирования требуемых гидрофобных характеристик.

Однако, перспективы промышленного применения технологии теперь целиком зависят от цены и стойкости покрытия. Дело в том, что структуры эти очень малы и поэтому — очень хрупки. Небольшое трение на поверхности уничтожает гидрофобные свойства. Так что сосредоточились на создании гидрофобных поверхностей большой площади, так как малые повреждения не будут влиять на общую эффективность.

Стоимость масштабного производства пока неизвестна, но уже можно сказать, что дополнительное травление и вакуумное напыление не сильно усложнят и без того сложный процесс производства фотоэлементов. Кроме производства фотоэлементов, такая обработка поверхности может быть применена для создания антибактериального покрытия медицинского оборудования и деталей микроскопических механических устройств, которые не должны прилипать друг к другу.