Эффективность солнечных батарей может возрасти в полтора раза

Сотрудники факультета наук о материалах и химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова научились очень точно и дешево изготовлять фотонные кристаллы, способные служить основой солнечных батарей и световых компьютеров будущего, сообщает пресс-служба университета. Описание методики их производства было опубликовано в журнале Electrochemistry Communications.

«Наша методика упростит разработку новых материалов с модулированной структурой на основе анодных оксидов вентильных металлов», — рассказал «Стимулу» научный сотрудник химического факультета МГУ Сергей Кушнир.

По словам исследователя, применяемые ранее методики анодирования не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры. Новая технология позволяет очень точно контролировать толщину слоев с различной пористостью в формируемой оксидной пленке.

За последние годы ученые создали ряд искусственных материалов, необычных оптических структур, превращающих волны одного вида в другие виды электромагнитного излучения. Один из подобных материалов — фотонный кристалл. В нем скрыты возможности для создания таких технологий будущего, как фотонный компьютер, суперлинза и суперпризма, фотонные сверхпроводники и многое другое. В зависимости от сочетания энергии падающего на кристалл фотона и свойств кристалла фотон может либо распространяться в материале, либо отражаться от него. Если задавать структурные характеристики кристалла, то появляется возможность управлять распространением света в нем.

Особый интерес для материаловедов представляют кристаллы, в которых не только оптическая, но и диэлектрическая проницаемость меняется с периодом, сравнимым с длиной световой волны. Такие материалы позволяют максимально эффективно переводить энергию фотонов в энергию электронов. А это особенно важно для производства фотоэлементов.

Существует множество методов получения фотонных кристаллов: самосборка, травление, голография, фотолитография, анодирование. Последний считается наиболее перспективным с промышленной точки зрения, потому что это сравнительно дешевый метод получения нанопористых оксидов таких металлов, как алюминий, титан, цирконий, гафний и других.

Процесс проводят в двухэлектродной электрохимической ячейке: в электролит опускают катод и анод (металлические пластины) и подают напряжение. На катоде выделяется водород, на аноде происходит электрохимическое окисление металла до оксида — анодирование. Если проводить анодирование с периодически изменяющимися напряжением и током анодирования, то формируется пористая пленка оксида с заданной по толщине пористостью и, следовательно, с модуляцией эффективного показателя преломления и диэлектрической проницаемости по толщине пленки. Таким способом и получается фотонный кристалл.

Оксид титана TiO₂ обладает более высоким показателем преломления, чем самый популярный анодный оксид — оксид алюминия, что при заданных оптических свойствах позволяет создавать на основе оксида титана более тонкие материалы. Если рассматривать фотонные кристаллы для солнечных батарей, то оксид титана наиболее подходит в качестве материала из-за своих полупроводниковых свойств.

Однако до сих пор отсутствие воспроизводимой и недорогой технологии создания фотонных кристаллов на основе диоксида титана мешало практическому применению таких материалов. Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах (ФНМ) МГУ под руководством кандидата химических наук научного сотрудника Нины Саполетовой усовершенствовали методику синтеза диоксида титана при помощи анодирования, что позволило точно задавать структуру пористых оксидных пленок.

В результате изменения напряжения анодирования по синусоидальному закону в диапазоне 40–60 V в зависимости от плотности заряда ученые получили нанотрубки анодного оксида титана с постоянным внешним диаметром и периодически изменяющимся с толщиной пленки внутренним диаметром.

Ранее ученые уже показали, что замена обычного диоксида титана на одномерный фотонный кристалл в фотоэлементах увеличит их эффективность в полтора раза. Поэтому у разработки ученых МГУ большой потенциал, считают авторы работы.

«Фотонные кристаллы из анодного оксида титана, полученные при помощи новой методики, после дополнительно термической обработки можно использовать как одну из частей солнечной батареи, — рассказал Сергей Кушнир. — Ранее было показано, что эффективность солнечной батареи возрастает в полтора раза при замене обычного анодного оксида титана на структурированный по толщине (то есть близкий к одномерному фотонному кристаллу). Необходимы дополнительные исследования для определения параметров структуры фотонных кристаллов, которые оказывают влияние на эффективность солнечной батареи. А разработанная нами методика позволяет точно задавать различные параметры структуры фотонных кристаллов, что существенно упрощает такие исследования».