بهبود کارایی پیل‌های خورشیدی

بلورهای فتونیکی مواد نانوساختاری هستند که در آنها تغییر تناوبی ضریب شکست
در مقیاس طولی نور مرئی موجب ایجاد یک شکاف باندی فتونیکی می‌شود. این شکاف
بر نحوه انتشار فوتون‌ها درون ماده اثر می‌گذارد؛ این اثر شبیه تأثیر یک
اختلاف پتانسیل متناوب در نیمه‌رساناها بر جریان الکترون‌ها از طریق تعریف
باندهای انرژی مجاز و غیرمجاز است. در بلورهای فتونیکی تابش‌های نوری که در
محدوده مشخصی از طول موج قرار دارند، از بلور عبور کرده و تابش‌هایی که
خارج از این محدوده هستند، منعکس می‌شوند.

در پیل‌های خورشیدی امروزی از سیلیکون استفاده می‌شود که برای این کار
مناسب نیست، زیرا هم باید نور را جذب نماید و هم آن را به الکتریسیته تبدیل
کند. در این پیل‌ها سیلیکون باید تا حد امکان نازک باشد، اما هر چه نازک‌تر
باشد، نور جذب شده کمتر بوده و در مجموع کارایی پیل کاهش می‌یابد.

می‌توان از بلورهای فتونیکی برای بازگرداندن دوباره نور جذب‌نشده به
سیلیکون بهره برد. لایه بلور فتونیکی باید به‌سادگی پشت پیل خورشیدی
چسبانده شود (همانند فلزاتی مثل آلومینیوم که در پیل‌های خورشیدی موجود
برای این کار استفاده می‌شوند). بلور فتونیکی نه تنها نسبت به آلومینیوم
نور بیشتری را بازمی‌گرداند، بلکه موجب انکسار نور شده و باعث می‌شود که
نور بازگشتی با زاویه کمتری به سیلیکون برخورد نماید. کوچک بودن زاویه
برخورد شانس جذب شدن نور توسط سیلیکون و تبدیل آن به الکتریسیته را افزایش
می‌دهد.

این محققان کار خود را با روکش‌دهی چرخشی فیلم نازکی از یک کوپلیمر و
نانوذرات TiO2 روی یک بستر رسانا آغاز کردند. در این مرحله هنوز حفرات شکل
نگرفته‌اند و لایه ایجاد شده چگال است. آنها سپس با استفاده از ماکروکُره‌های
پلیمری آلوده با TiO2 و از طریق فرایند خودآرایی، یک بلور فتونیکی سه‌بعدی
روی این لایه ایجاد کردند. با انجام فرایند آنیلینگ، حفرات مورد نظر ایجاد
شده و ماده پلیمری هم در زیرلایه و هم در لایه رویی حذف شدند؛ بدین ترتیب
یک بلور فتونیکی سه‌بعدی روی ماده میان‌حفره‌ای زیرین باقی می‌ماند. این
روش امکان اتصال این حفرات به بلورهای فتونیکی را ایجاد می‌کند.

جزئیات این تحقیق در مجله Nano Letters منتشر شده است.