Перспективы российских нанотехнологий в солнечной энергетике

Специалисты из нижегородского Института прикладной физики РАН разработали новый метод получения тонких пленок нанокристаллического кремния, который является перспективным и эффективным материалом для создания солнечных батарей нового поколения.

Суть метода — в осаждении пленки кремния из плазмы на подложку из сапфира. В плазме тетрафторид кремния взаимодействует с водородом и разлагается на составляющие, образуя кремний, который и оседает на подложку. Изменяя соотношение компонентов в исходной газовой смеси, температуру плазмы и подложки, можно регулировать параметры формирующейся пленки. Обычно кремний получают, разлагая пожароопасный газ силан, молекула которого состоит из одного атома кремния и четырех водорода. Его замена на тетрафторид кремния делает технологию более безопасной.

В ходе экспериментов удалось определить технологические режимы осаждения, когда получается пленка со средним размером кристаллов 10 нм. Новая технология позволяет менять изотопный состав напыляемого кремния, увеличивая долю тяжелых изотопов. Такой материал обладает лучшими электрическими свойствами. Впервые массивные образцы изотопно-обогащенного кремния несколько лет назад были получены в Нижнем Новгороде при участии специалистов Института химии высокочистых веществ РАН в рамках российско-европейской совместной научной программы. Теперь ученые могут изготавливать тонкие пленки из этого материала.

Пока что опыты проходят на лабораторной установке, в промышленной необходимо будет использовать более мощный разряд для формирования плазмы. Тем не менее, уже можно говорить о возможности создания промышленной технологии высокоскоростного осаждения слоев кремния с заданными параметрами для микроэлектроники и солнечных батарей.

Нанокристаллический кремний — материал, в котором кристаллы кремния размером в несколько десятков нанометров распределены по матрице из аморфного кремния. На наноуровне действуют квантовые законы, так что электрофизические свойства вещества резко меняются. Ученые рассчитывают этим воспользоваться, чтобы создать более эффективные материалы для солнечных батарей.

Основа нынешней фотоэнергетики — батареи на основе кремниевых пластинок. Сегодня кремниевые батареи используют и большие солнечные электростанции, которые создаются в рамках программ по развитию альтернативной энергетики, и граждане, озабоченные состоянием окружающей среды и ростом тарифов на энергию. КПД преобразования света в электричество у кремниевых батарей достигает 30%, у ближайших конкурентов — органических солнечных батарей хорошим результатом считается КПД на уровне 5—7%. Для создания нового поколения солнечных батарей наиболее перспективной считается конструкция, где слой нанокристаллического кремния заключен между тонкими слоями аморфного кремния: она обеспечивает более высокую эффективность самой батареи, кроме того, отпадает необходимость в массивных подложках из монокристаллов кремния, расход этого дорогого материала уменьшается.

Ранее компания Sharp объявляла, что к 2010 году построит завод по изготовлению трехслойных (нанокристаллический слой между двумя аморфными) тонкопленочных солнечных батарей общей мощностью 1 ГВт в год. Работа нижегородских ученых, выполненная в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы», закладывает основу создания аналогичной технологии и в России.

Источник со ссылкой на Российский электронный наножурнал