Крылья бабочки помогут повысить эффективность солнечных батарей

Группа ученых из США и Германии предложила новый тонкий светопоглощающий материал для солнечных батарей, используя в качестве прообраза его микроструктуры крыло черной бабочки Pachliopta aristolochiae. Оказалось, что такая структура позволяет поглощать около 50 процентов всего солнечного света в видимом диапазоне и в два раза увеличивает эффективность материала. Результаты работы опубликованы в Science Advances.

Неупорядоченные наноструктуры на поверхностях различных биоорганизмов часто приводят к появлению необычных и полезных свойств, которые помогают более эффективно использовать внешние условия для собственной жизнедеятельности. Часто такие поверхности используются учеными в качестве моделей для получения искусственных материалов с заданными свойствами. Типичным примером является лист лотоса, иерархическая микроструктра на поверхности которого приводит к появлению супергидрофобности и скатыванию с него капель воды. А сложная микроструктура поверхности крыльев различных бабочек приводит к появлению интересных оптических свойств, и их структура стала одним из прообразов синтетических фотонных кристаллов.

В своем новом исследовании ученые из США и Германии для повышения эффективности поглощения солнечного света создали материал, по структуре аналогичный поверхности крыльев черной бабочки. Эта бабочка известна тем, что может изменять интенсивность поглощения света и управлять таким образом своей терморегуляцией. При этом эффективность поглощения солнечного света практически не зависит от угла его падения. В современных солнечных батареях эффективность поглощения света довольно сильно зависит от угла падения, и для наиболее эффективной работы плоскость батареи должна быть правильным образом ориентирована. По гипотезе ученых крыло бабочки могло бы стать прообразом тонкого материала, с помощью которого можно сильно увеличить процент поглощаемого батареей света.

Сначала ученые исследовали микроструктуру верхней и нижней поверхностей крыла бабочки и зависимость интенсивности поглощения от длины волны. Оказалось, что эти поверхности, во-первых, достаточно сильно отличаются друг от друга, а во-вторых, подобно листьям лотоса, имеют иерархическую структуру с особенностями рельефа как на микро-, так и наномасштабах. Основная поглощающая свет структура состоит из системы цилиндрических полостей разного диаметра. Для того, чтобы повысить диапазон углов падения поглощаемого света, над системой полостей находится массив параллельных тонких лопастей, направленных под углом к поверхности крыла. Такие образования отражают свет, направляя его внутрь полостей. В результате во всем видимом диапазоне эффективность поглощения превышает 90 процентов, и остается довольно высокой и ближней инфракрасной области.

Вторым этапом работы стало трехмерное моделирование структуры, подобной найденной на крыле бабочки и объяснение его уникальных оптических свойств. Оказалось, что определяющим для повышения эффективности при различных углах падения является именно наличие вытянутых полостей, которые направляют свет в нужную область и увеличивают эффективность поглощения сразу на 20 процентов.

Финальным этапом исследования стало получение тонкой пленки с аналогичной микроструктурой из аморфного кремния с добавками водорода и исследование ее оптических свойств. Полученная пленка толщиной около 130 нанометров с цилиндрическими каналами внутри нее позволяла поглощать около 90 процентов света, падающего под прямым углом к поверхности, и более 50 процентов для других углов падения, вплоть до 50 градусов. В результате такая структура позволила примерно в два раза повысить эффективность поглощения света.

По ожиданиям ученых, уже в ближайшем будущем такие поверхности могут использоваться в качестве светопоглотительных панелей в солнечных батареях.

Оптические свойства и окраска крыльев бабочек позволяют им не только эффективно использовать солнечный свет для терморегуляции, но и могут использоваться, например, для мимикрии или чтобы сбить с толку хищника за счет интерференции и переливов.

Александр Дубов