Фотогальваника работает по тому же принципу, что и фотосинтез растений. Световая энергия поглощается и преобразуется в другую форму энергии. В этом процессе важно использовать, возможно, большую часть спектра солнечного света и улавливать свет под разными углами падения, поскольку угол изменяется в зависимости от положения солнца.
У растений есть такая способность в результате длительного процесса эволюции – достаточная причина для исследователей фотоэлектрических систем, чтобы внимательно присмотреться к природе при разработке солнечных элементов с широким спектром поглощения и высокой устойчивостью к углу падения.
Ученые из KIT и ZSW (Центр исследований солнечной энергии и водорода Баден-Вюртемберга) теперь предлагают в своей статье, опубликованной в журнале Advanced Optical Materials, воспроизвести внешнюю ткань лепестков высших растений, так называемый эпидермис, в прозрачный слой и интегрировать этот слой в переднюю часть солнечных элементов, чтобы повысить их эффективность.
Сначала исследователи из Института световых технологий (LTI), Института технологии микроструктур (IMT), Института прикладной физики (APH) и Зоологического института (ZOO) KIT, а также их коллеги из ZSW исследовали оптические свойства, и прежде всего просветляющее действие клеток эпидермиса разных видов растений. Эти свойства особенно ярко проявляются в лепестках роз, где они обеспечивают более сильный цветовой контраст и, таким образом, повышают вероятность опыления.
Как выяснили ученые под электронным микроскопом, эпидермис лепестков роз состоит из неорганизованного расположения плотно упакованных микроструктур с дополнительными ребрами, образованными случайно расположенными наноструктурами.
Чтобы точно воспроизвести структуру этих эпидермальных клеток на большей площади, ученые перенесли ее в форму, сделанную из полидиметилсилоксана, полимера на основе кремния, запрессовав полученную негативную структуру в оптический клей, который, наконец, оставили для отверждения под УФ-светом. «Этот простой и экономичный метод создает микроструктуры такой глубины и плотности, которые трудно достижимы с помощью искусственных методов», – говорит д-р.
Гийом Гомар, руководитель группы «Нанопотоника» в LTI KIT.
Затем ученые интегрировали прозрачную копию эпидермиса лепестков розы в органический солнечный элемент. Это привело к увеличению эффективности преобразования энергии на двенадцать процентов для вертикально падающего света.
При очень малых углах падения КПД был еще выше. Ученые объясняют это преимущество в первую очередь превосходными всенаправленными антиотражающими свойствами реплицированного эпидермиса, который способен уменьшать поверхностное отражение до значения ниже пяти процентов даже при угле падения света почти 80 градусов.
Кроме того, как показали исследования с использованием конфокального лазерного микроскопа, каждая реплицированная эпидермальная клетка работает как микролинза. Эффект микролинзы расширяет оптический путь внутри солнечного элемента, усиливает взаимодействие света и вещества и увеличивает вероятность поглощения фотонов.
«Наш метод применим как к другим видам растений, так и к другим фотоэлектрическим технологиям», – поясняет Гийом Гомар. "Поскольку поверхности растений обладают многофункциональными свойствами, в будущем можно будет применить несколько из этих свойств за один шаг.«Результаты этого исследования приводят к другому основному вопросу: какова роль дезорганизации в сложных фотонных структурах?? Дальнейшие исследования сейчас изучают этот вопрос с точки зрения того, что следующее поколение солнечных элементов может извлечь выгоду из их результатов.