Гибкие солнечные элементы на основе массива кремниевых волокон в полимерной матрице

Ключевыми показателями, определяющими успешность развития солнечной энергетики, является высокая эффективность и малая стоимость фотоэлектрических преобразователей. На сегодняшний день, для производства солнечных элементов в основном используется кремний из-за его доступности и относительно низкой цены. Солнечные элементы (СЭ) на основе кремния составляют более 90% рынка наземной фотовольтаики, что связано с доступностью материала, запасы которого в земной коре практически не ограничены, высоким уровнем развития кремниевой технологии, достаточной стойкостью к солнечному излучению и, что также достаточно важно, солнечные элементы на основе кремниевых подложек безопасны с экологической точки зрения и не требуют особых процедур утилизации. Помимо этого, остро встает вопрос о необходимости формировании гибких СЭ, а также снижении их веса. Во-первых, для создания таких СЭ требуется меньший расход полупроводниковых материалов, кристаллические подложки также могут быть заменены полимерными. Во-вторых, гибкие солнечные панели легче по сравнению с традиционными панелями с металлическими рамками и защитным стеклом, что облегчает их транспортировку и монтаж. В-третьих, имеется возможность интегрирования подобных устройств в различные конструкции сложной формы, такие как аэростаты, электромобили, дроны, одежда и т.д. Однако, современные гибкие СЭ обладают и рядом недостатков. К существенному минусу относится все еще довольно низкий уровень КПД (~ 6.5%). Помимо вышесказанного, существующие гибкие СЭ обладают низкой механической стабильностью и непродолжительным сроком службы. Объясняется это тем, что современные материалы, применяемые для гибких СЭ, нестабильны, дороги, неэффективны или токсичны (CIGS). В частности, органические гибкие СЭ на основе перовскитов привлекательны высоким значением оптического поглощения, но не стабильны и быстро деградируют. Таким образом, исследования по созданию гибких СЭ, обладающих высоким КПД (более 10%), высокой стабильностью и механической прочностью по-прежнему являются актуальными на сегодняшний день. Общая механическая гибкость СЭ определяется гибкостью каждого входящего в него слоя. Для гибких органических СЭ наименее гибким слоем является прозрачный проводящий оксид, в качестве которого чаще выступает оксид индия-олова (ITO). Поли (3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT: PSS) является альтернативным материалом для замены слоев ITO. Пленки PEDOT:PSS помимо высокой проводимости обладают высокой прозрачностью в видимом диапазоне, высокой механической гибкостью и простым получением из водного раствора. Также PEDOT:PSS является привлекательным материалом эмиттера для СЭ на основе SiNWs по сравнению со слоем a-Si:H p-типа проводимости, который невозможно осаждать с точным контролем толщины на вертикально-ориентированные кремниевые структуры. Одним из путей развития может быть создание гибридных гибких СЭ с использованием органического проводящего материала PEDOT:PSS. Основной задачей проекта является проведение исследований по объединению разработанных теоретических принципов и всех технологических операций для создания рабочего прототипа гибкого СЭ на основе вертикально-ориентированных кремниевых структур. Решение данной задачи в первую очередь потребует адаптации разработанных ранее технологических подходов для обеспечения их совместимости. Также на основе проведенных исследований электрофизических и фотоэлектрических свойств изготовленных структур будет проведена модификация их физической модели. Помимо обозначенной выше основной задачи, в проекте будут решаться задачи по поиску путей совершенствования эксплуатационных характеристик солнечных элементов. СЭ на основе SiNWs, встроенные в полимерную матрицу, обладают большей механической стабильностью по сравнению с планарными устройствами. Таким образом, актуальной является цель исследования по созданию перспективных гибких фотопреобразовательных структур на основе PEDOT: PSS/SiNWs.