Нанотекстура сделала стекло еще более прозрачным

Благодаря нанесению нанотекстуры на поверхность стекол для солнечных батарей и электронных устройств американскими химикам удалось сильно повысить их прозрачность. Доля отраженного от такого стекла света в видимом диапазоне падает до 0,5 процента, при этом прозрачность выше 90 процентов сохраняется для длин волн от 450 до 2500 нанометров и углов падения до 70 градусов. Результаты исследования опубликованы в Applied Physics Letters.

Для механической защиты материалов дисплеев электронных устройств и фоточувствительных элементов солнечных батарей приходится использовать покрытия из стекла. Однако из-за того, что материалы этих стекол не являются абсолютно прозрачными, их использование может приводить, например, к возникновению бликов на экране или понижению эффективности батареи. Только лишь за счет отражения света от поверхности защитного стекла солнечные батареи могут терять до 10 процентов своей эффективности.

Для понижения доли отраженного света при больших углах падения и широкого диапазона длин волн группа ученых из США предложила использовать новый тип нанотекстурированных стекол. Использование поверхностных текстур приводит к изменению эффективного коэффициента преломления света в поверхностном слое и снижению доли света, отраженного от поверхности. Основная проблема такого подхода заключается в том, что характерный размер выступов на поверхности и расстояние между ними должны быть значительно меньше длины волны падающего света, поэтому необходимо разработать метод, который позволяет получать на поверхности стекла рельеф нужного размера.

В своей работе материаловеды покрывали стекло пленкой из блок-сополимеров — полимеров с чередующимися участками разного химического состава. Благодаря образованию микрофаз такие молекулы могут формировать на своей поверхности периодические массивы наноямок и нановыступов. Характерный размер таких образований составляет от десятков до сотен нанометров, а покрывать они могут площади до нескольких квадратных метров. Образованная полимерная нанотекстура использовалась в качестве шаблона для нанесения алюминия. После этого органический слой смывался, и алюминий использовался в качестве маски для последующего травления самого стекла. В результате ученые получили стекло, покрытое наностолбиками разной высоты. Текстуру наносили на обе стороны стеклянной пленки.

Для полученных стеклянных поверхностей химики измерили зависимость доли отраженного света длиной волны 633 нанометра от высоты нанорельефа. Оказалось, что если для плоской поверхности от поверхности стекла отражается примерно 4 процента всего упавшего на него света, то для текстуры высотой больше 250 нанометров процент отраженного света составлять уже десятые доли процента.

Кроме того, процент пропущенного света не падал ниже 90 процентов для всего диапазона видимого света и инфракрасного диапазона до длины волны 2500 нанометров. При этом прозрачность сохранялась и при достаточно больших углах падения. Так, до углов падения около 50 градусов эффективность пропускания света почти не падает, а 90 процентов достигает при угле падения 70 градусов. И по ширине диапазона пропускаемых длин волн, и по доступным углам падения света нанотекстурированные стекла заметно превосходят обычные стекла с плоской поверхностью.

Также ученые оценили целесообразность использования таких стекол в качеств защитных покрытий для солнечных батарей. Для этого они сравнили величину возбуждаемого падающим светом тока для солнечной батареи без защитного стекла, с простым защитным стеклом и с нанотекстуриованным защитным стеклом. Оказалось, что при использовании предложенных стекол с нанотекстурой эффективность батарей сохраняется практически на том же уровне, что и у батареи без защитного покрытия. Отдельно ученые отмечают, что с помощью предложенного ими метода очень легко получать покрытия именно на кремниевых элементах микрочипов или полупроводниковых элементов солнечных батарей, и все эксперименты проводились как раз на кремниевой подложке.

Создание защитных материалов для солнечных батарей, не снижающих их эффективность — актуальная задача как для традиционных солнечных батарей на основе кремния, которые испытывают значительные механические нагрузки, например, на автомобильных дорогах или крышах домов, так и для материалов, например, с перовскитной структурой. 

Александр Дубов