Фотоэлементы, копирующие рельеф листьев, дают на 47% больше энергии

Текст: Александр Березин

Исследователи из Принстонского университета (США) придали полимерной солнечной батарее сходство с листом растения, создав на её поверхности складки и борозды. В результате с той же площади фотоэлемента удалось получить на 47% больше электроэнергии.

Обычные полимерные фотоэлементы при сильном изгибании резко теряют КПД (до 70%), а вот с неровностями на поверхности их КПД вообще не меняется. (Иллюстрация Frank Wojciechowski / Jong Bok Kim et al.)

Микроскопические складки на поверхности, по словам учёных, меняют всё. В случае плоской поверхности свет либо отражается, либо поглощается, но на поверхности, покрытой частой сетью микроскопических складок, даже отражённый свет имеет шансы быть поглощённым. При этом радикально увеличилось поглощение излучения в ближнем инфракрасном диапазоне, где прежде успехи по преобразованию солнечного излучения в электричество были минимальными. По результатам экспериментов, для ближнего инфракрасного излучения эффективность преобразования повысилась на 600%, что значительно больше, чем ожидалось.

Результаты исследования нашли отражение в журнале Nature Photonics.

Полимерные батареи были выбраны не только из-за их дешевизны, но и потому, что их поверхность проще сделать гофрированной. Впрочем, по словам разработчиков, процесс нанесения складок прост и теоретически может быть применён к любому материалу, включая олигомеры и тот же кремний.

Метод получения складок действительно не очень сложен: слой жидкого материала с высокой адгезией равномерно наносился на полимерный фотоэлемент, а затем подвергался фотоабляции в УФ-лучах. Разная интенсивность УФ-излучения на разных участках вела к получению финишной поверхности с одинаковыми повторяющимися неровностями, как на обычном листе растения. Наилучший результат дала комбинация двух типов неровностей — индивидуальных неглубоких «морщин», разбросанных на некотором расстоянии друг от друга, и более глубоких «складок», равномерно нанесённых по всей поверхности.

Исследователи полагают, что их батареи окажутся много практичнее нынешних полимерных и кремниевых, так как побочным эффектом нанесения неровностей стало увеличение механической прочности фотоэлемента и рост времени его деградации. Кроме того, высокая гибкость таких батарей и их высокий КПД при работе под значительными углами к источнику излучения могут позволить... обклеивать ими стены и любые иные поверхности без какой-либо угрозы для работоспособности фотоэлементов.

Следование устройству обычного листа не только в полтора раза увеличивает эффективность полимерных фотоэлементов, но и позволяет утилизировать ближнее инфракрасное излучение. (Фото CubaGallery.)