توسط : 
محققان پوشش ضدبازتاب پهنباند برای سلولهای خورشیدی گالیوم آرسنید توسعه دادهاند. این پوشش نانوساختار که بر پایه نانوذرات گالیوم حرارتی-اکسید شده طراحی شده، میزان بازتاب نور را در سراسر طیف خورشیدی تا ۳۰ درصد کاهش داده و عملکرد سلول خورشیدی را تا ۱۰ درصد افزایش میدهد.
در پژوهشی تازه، گروهی از محققان دانشگاه پلیتکنیک مادرید (IES-UPM) پوشش نانوساختار ضدبازتاب (ARC) جدیدی را برای سلولهای خورشیدی مبتنی بر آرسنید گالیوم (GaAs) معرفی کردهاند. این پوشش با استفاده از نانوذرات گالیوم اکسیدشده حرارتی ساخته شده است.
«سرخیو کاتالان گومز»، نویسنده مسئول مقاله، توضیح داد: «برخلاف نانوذرات فلزی پلاسمونیک متداول که ممکن است باعث جذب اضافی و ازدسترفتن نور شوند، نانوذرات گالیوم اکسید کامل (GaxOy-NPs) ساختار خود را حفظ کرده و بهعنوان یک پوشش ضدبازتاب دیالکتریک و غیر رزونانسی عمل میکنند.»
به گفته او، این نانوذرات بازتاب نور را در کل طیف خورشیدی حدود ۳۰ درصد کاهش داده و درنتیجه بازده کوانتومی خارجی و چگالی جریان اتصال کوتاه سلول را حدود ۱۰ درصد افزایش میدهند.
پوشش ضدبازتاب نانوساختار برای سلولهای خورشیدی مبتنی بر گالیوم آرسنید
در این پژوهش که در مجله Optical Materials منتشر شده، محققان بر پایه مطالعات پیشین درباره نانوذرات گالیوم (Ga-NPs)، اینبار بر فرایند اکسیداسیون و فناوری لایههای نانوذرهای دیالکتریک برای ایجاد خاصیت ضدبازتاب تمرکز کردهاند. به گفته کاتالان گومز، این نتایج «درک تازهای از امکانپذیری تولید پوششهای نانوساختار اکسیدی در مقیاس صنعتی برای کاربردهای فتوولتائیک» ارائه میدهد.
«اگرچه نانوذرات گالیوم با رفتار پلاسمونیک، توانایی پراکندگی نور مطلوبی دارند، اما استفاده از آنها در سلولهای خورشیدی GaAs محدود است، زیرا رزونانسهای پلاسمونیک میتوانند با طیف جذب سلول همپوشانی کنند و موجب اتلاف انرژی شوند.»
در جستجوی جایگزینی که مزیتهای ساختاری نانوذرات گالیوم را داشته باشد اما اتلافهای پلاسمونیک را ایجاد نکند، پژوهشگران به گالیوم اکسید رسیدند. به گفته کاتالان گومز، گالیوم اکسید بهدلیل ضریب شکست مناسب و باندگپ وسیع، یک گزینه «بسیار مطلوب» برای ایجاد پوشش ضدبازتاب پهنباند و کماتلاف است.
این گروه، سلولهای خورشیدی گالیوم آرسِنید (GaAs) را با استفاده از فرایندهای استاندارد فوتولیتوگرافی و متالیزاسیون در آزمایشگاه خود ساخت تا نتایج تحقیق، دقیقاً بر پایه دستگاههایی باشد که تمام مراحل ساخت و پوششدهی آنها تحت کنترل خود پژوهشگران انجام شده است.
کاتالان گومز توضیح داد: «سپس نانوذرات گالیوم را مستقیماً روی سطح جلویی این سلولهای سفارشیسازیشده رسوب دادیم و پس از آن فرایند اکسیداسیون را انجام دادیم تا نانوذرات اکسید گالیوم (GaxOy-NPs) تشکیل شوند.» این روش به تیم تحقیقاتی اجازه داد تا خواص نوری نانوذرات، ازجمله اندازه و میزان پوشش سطح را با دقت بسیار بالا تنظیم کنند.
نتایج نشان داد که زمانی که شعاع اولیه نانوذرات کمتر از حدود ۳۰ نانومتر باشد، فرایند اکسیداسیون بهطور کامل انجام میشود بدون اینکه ساختار نانوذره دچار تخریب شود. این موضوع با استفاده از تحلیلهای میکروسکوپی تأیید شد.
شبیهسازیهایی که براساس دادههای بهدستآمده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) انجام شد، بهطور دقیق طیفهای تجربی را بازتولید کرد و مدل نوری ارائهشده را تأیید کرد. پژوهشگران میگویند: «نانوذرات GaxOy حاصل، دارای ساختاری یکنواخت و سطحی صاف هستند که این ویژگی برای رفتار نوری قابل پیشبینی و کارایی پایدار بهعنوان پوشش ضدبازتاب کاملاً ضروری است.»
محققان اعلام کردند: «وقتی این پوششها روی سلولهای خورشیدی GaAs بهکار گرفته میشوند، بهبودهای تکرارپذیری در بازده کوانتومی خارجی و چگالی جریان اتصال کوتاه ایجاد میکنند که میانگین این افزایشها حدود ۱۰ درصد است. آزمایشهای کنترلشده نشان دادهاند این بهبودها کاملاً ناشی از حضور نانوذرات اکسیدشده است و هیچ عامل دیگری در این افزایش عملکرد نقش ندارد.»
در ادامه تحلیل نتایج، گروه تحقیقاتی تأکید کرد که این فناوری بدون پلاسمون، با فرایندهای استاندارد ساخت سلولهای خورشیدی کاملاً سازگار است و پوشش نوری با شاخص شکست تدریجی (graded-index) حاصل از آن برای نسل جدید سلولهای III-V چشمانداز بسیار امیدوارکنندهای دارد.
برای تحقیقات آینده، بهینهسازی بیشتر کارایی ضدبازتاب، و همچنین ساخت نانوذرات GaxOy بزرگتر و پایدارتر اهمیت زیادی دارد. به گفته گومز، ادغام این پوششها در سلولهای چندپیوندی III-V و انجام مطالعات پایداری بلندمدت تحت شرایط عملیاتی نیز از اولویتهای مهم پژوهشهای آتی به شمار میروند.
بیشتر بخوانید: مروری بر پوششهای ضدگردوخاک برای بهبود عملکرد پنلهای فوتوولتائیک
