Сьогодні одне з найважливіших напрямів розвитку енергетики, - отримання електроенергії від сонячних батарей

Коли проходить ейфорія від перспектив отримання енергії безпосередньо від сонця, починають долати різні технічні та технологічні проблеми, тільки деякі з них, такі як назрілі труднощі у виробництві чистого кремнію і помітні втрати енергії при її отриманні від сонячних панелей вимагають негайного вирішення

Останнім часом все більше досліджень ведеться в області створення на поверхні панелей кремнієвого покриття

Голландським фізикам вдалося створити кремнієву поверхню, яка поглинає майже весь видимий світ (та ще й значну частину інфрачервоного спектру), який на неї падає.

Поверхні такого роду відомі досить давно під загальною назвою "чорний кремній" - в цьому сенсі створений голландцями кремній, звичайно, самий чорний з усіх.

Вперше термін "чорний кремній" виник в роботі 1990 року, що вийшла в журналі Journal of Vacuum Science & Technology. Вивчаючи реактивне іонне травлення кремнієвої поверхні, дослідники виявили несподіваний факт - поверхня кремнієвої підкладки при травленні без будь-якої маски (травлення зазвичай використовують при літографії, для отримання на кремнієвій поверхні потрібного малюнка) помітно темніла.

Вивчивши поверхню за допомогою електронного мікроскопа, вчені встановили, що справа в даному випадку не в банальному зміні кольору, а в зміні оптичних властивостей поверхні.

Причина цієї зміни криється ось в чому. Суть методу реактивного іонного травлення полягає в тому, що речовина підкладки віддаляється в результаті спрямованої обробки іонами активних речовин (в роботі використовувалися іони брому і хлору). Метод хороший, серед іншого, тим, що дозволяє вибирати напрямок, в якому відбувається видалення атомів з підкладки, однак, видалення матеріалу відбувається нерівномірно.

Через це на підкладці утворюється досить складний малюнок з западин і стовпів, утворених продуктами реакції кремнію з іонами.

Чому конкретно утворюється той рельєф, який утворюється - не дуже зрозуміло навіть зараз, через більш ніж два десятки років після відкриття. Фізики кажуть, що тут справа в природних флуктуаціях самого іонного потоку і структурі підкладки, однак відповідної моделі, яка могла б передбачати виникають структури, у них немає.

Крім цього, неясно, чому оброблений таким чином кремній починає так добре поглинати падаючий на нього світло - передбачається, що справа в багаторазовому відображенні, переломленні і розсіюванні світла.

Пізніше вченим вдалося експериментальним шляхом отримувати досить регулярні структури, що представляють собою по суті "ліс" з конусів. Також з 90-х років минулого століття було відкрито ще кілька способів отримання чорного кремнію.

Наприклад, кремнієву поверхню можна опромінювати лазерними імпульсами тривалістю в кілька фемтосекунд (10-15 секунди), термічною обробкою та ультрафіолетової літографією. Перший навіть був запатентований групою з Гарварду, яка організувала фірму SIOnyx, в 2011 році отримала на розвиток своєї технології від міністерства оборони США 3 мільйони доларів.

Загалом, зараз термін "чорний кремній" застосовується до цілого класу кремнієвих поверхонь.

Чорний кремній цікавить вчених з багатьох причин. Зупинимося на трьох основних напрямках застосування цього матеріалу.

По-перше, чорний кремній може, в теорії, помітно збільшити ефективність сонячних батарей.
Справа в тому, що відображення світла кремнієвої підкладкою батареї - це, в першу чергу, втрата енергії. У свою чергу, знижуючи частку відбитого світла, можна збільшити кількість вироблюваної такою батареєю енергії. Зараз в батареях для цього використовуються різного роду противідблискуючі покриття, які, однак, поступаються чорному кремнію.

Інша область застосування (в цьому напрямку працює SIOnyx) є створення більш ефективних, в порівнянні з існуючими моделями, напівпровідникових датчиків електромагнітного випромінювання (причому, не обов'язково у видимому діапазоні).

Розвиток цієї технології в перспективі може дозволити поліпшити характеристики існуючої техніки без кардинальних змін в процесі виробництва.

Ще одне, зовсім несподіване застосування чорного кремнію знайшли німецькі фізики в 2008 році.

Спочатку вони приготували пластинку кремнію, покриту конічними наноголками висотою 2 мікрометра (голки були отримані за допомогою все того ж реактивного іонного травлення).

Виявилося, що при опроміненні пластинки лазерним променем з одного боку, протилежна сторона випромінює в терагерцевому діапазоні (так звані T-промені).

Справа в тому, що Т-промені легко проникають крізь папір, одяг, картон, пластмасу і багато інших матеріалів. Вони можуть застосовуватися для виявлення прихованого зброї або вибухівки, діагностування пухлин, пошуку дефектів і тріщин в матеріалах.

Головною перешкодою, однак, до їх повсюдного впровадження є відсутність відповідних випромінювачів. Наприклад, перше джерело когерентного терагерцевого випромінювання (допускаючи вільність мови, такі джерела називають Т-лазерами), що працює при кімнатній температурі, був створений в 2008 році.

Нова робота голландських фізиків по чорному кремнію є логічним продовженням їх попередніх відкриттів.

У 2011 році вони встановили, що металеві циліндри нанометрових масштабів на кремнієвій поверхні можуть досить добре поглинати світло. Ефект був пов'язаний з плазмонами - квазічастинками, що представляють собою квант коливання електронного газу, зокрема, в металі.

В рамках нової роботи вчені створили чорний кремній, який представляє собою кремнієву поверхню, але вже з регулярно розставленими по ній кремнієвими циліндрами. Для отримання цієї поверхні використовувалося вже згадуване реактивне іонне травлення. Розміри циліндрів становили 250 нанометрів на 150 нанометрів. Нанолiс був залитий шаром нітриду кремнію Si3N4 товщиною в 60 нанометрів.

Як виявилося, отриманий таким чином матеріал відображає менше 2 відсотків падаючого на нього світла у видимому діапазоні (невеликий пік отражаемості спостерігався для довжин хвиль 650 нанометрів) при куті падіння не менше 60 градусів.

За словами вчених, вони провели порівняння отриманого ними чорного кремнію з кращими зразками антивідблисків покриттів - в кращому разі останні знижували частку відбитого світла до 10 відсотків.

Висока ефективність поглинання пояснюється тим, що частина випромінювання по циліндрах "витікала" в підкладку. На це вказує комп'ютерна модель чорного кремнію, в основу якої покладена модифікована теорія розсіювання Мі (оригінальний варіант - це розсіювання плоскої електромагнітної хвилі на однорідної сфері).

Примітно, що вчені пробували брати замість циліндрів кулі, однак, як виявилося, така батарея працює помітно гірше.

Самі вчені сподіваються, що створена ними технологія дозволить застосовувати чорний кремній на практиці вже в самому найближчому майбутньому.

Втім, чи можна їх метод використовувати в промислових масштабах, поки невідомо.

Як видається мені й групі мультидисциплінарних спеціалістів з якими наша компанія працює, є варіант технології, який може дати можливість за допомогою еквівалентного технічного рішення в частині формування розвиненого мікрорельєфу на поверхні панелей сонячних батарей, отримати мінімальне відображення світлового потоку

Нижче наводиться анотація патентної публікації в офіційній інформації патентного відомства США:

United States Patent Application 20120040166
Kind Code A1
Livschits; Gabreal; et al. February 16, 2012
________________________________________
Composite Material, Method of Manufacturing and Device for Moldable Calibration
Abstract
Composite materials and methods and systems for their manufacture are provided. According to one aspect, a composite material includes a collection of molded together multilayer capsules, each capsule originally formed of a core and shell. The shell, after a plastic deformation process, forms a pseudo-porous structure, with pores locations containing the capsule cores. The cores are made of a material, eg, synthetic diamond, which is harder than the external shell, which can be formed of, eg, a ductile metal such as copper. The composite material has high thermal and / or electrical conductivity and / or dissipation.
________________________________________
Inventors: Livschits; Gabreal; (San Francisco, CA); Flider; Gennadiy; (San Francisco, CA)
Serial No.: 108597
Series Code: 13
Filed: May 16, 2011

Відповідно до основних ознак цього винаходу для того, щоб домогтися практично повної відсутності відбиття від кремнієвих панелей, досить створити на поверхні панелей, як мінімум тришарову геометричну систему сферичних нано-капсул, пов'язаних між собою контактом в одній точці і в, як мінімум восьми пересічних площинах

Для початку необхідно розкрити конструкцію багаторівневих нано – капсул

Сердечником капсули є нано - сфера з алюмінію, діаметром в 10 нанометрів

Сфера покрита оболонкою з кремнію товщиною в 10 нанометрів; Таким чином діаметр нано - капсули дорівнює 30 нанометра
При виконанні вакуумного покриття з цих нано - капсул на поверхні панелей сонячних батарей сферичні капсули знаходяться в точковому контакті один з одним і світловий потік має площу контакту з поверхнею кремнію на кілька порядків вище ніж у звичайних кремнієвих покриттів

Крім того кілька шарів нано - капсул, що знаходяться в точковому контакті один з одним створюють оптимальний лабіринт - пастку для світлового потоку, яка практично повністю виключає відображення світла від дзеркальної поверхні покритої кремнієм

Сердечники з алюмінію в нано - капсулах створюють стабільний канал для зниження електричного опору на шляху струмових імпульсів до систем стабілізації та трансформації імпульсів струму в стабільний струм з стандартними режимами і параметрами

Технологічно таке рішення повністю відпрацьовано і можливість масового виробництва таких сонячних батарей не викликає сумнівів у фахівців