(50-2) 8 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Численный анализ эффективности нанопористого просветляющего покрытия из диоксида титана в применении к кремниевой солнечной энергетике
Ю.Э. Гейнц1, Е.К. Панина1

1Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, площадь Академика Зуева, д. 1

  Полный текст (PDF)

DOI: 10.18287/COJ1722

ID статьи: 1722

Аннотация:
Функциональную эффективность солнечных элементов ограничивают оптические потери при отражении падающего на них солнечного света. Снижение отраженной компоненты достигается использованием просветляющих покрытий, в частности, нанопористого диоксид титанового слоя. В работе теоретически рассмотрена задача рассеяния оптического излучения в спектральном диапазоне солнечного света на кремниевой подложке толщиной 300 нм с нанесенным на нее пористым просветляющим диоксид титановым покрытием различной толщины (25÷500 нм) и структурного дизайна. Детально исследованы характеристики поглощения и рассеяния света антиотражающим слоем двух принципиально различных структурных типов, образованных либо в виде нескольких слоев плотно упакованных наносфер, либо сплошного слоя с хаотично расположенными вертикальными нанопорами диаметром 25÷200 нм, заполненными воздухом. Установлено, что просветляющее покрытие с достаточно крупными субволновыми воздушными порами (диаметр 200 нм) характеризуется наиболее низким оптическим отражением и способно снизить коэффициент отражения кремниевого слоя до трех раз интегрально по солнечному спектру.

Ключевые слова:
антиотражающий пористый слой, солнечный элемент, поглощение и рассеяние света, солнечный свет.

Цитирование:
Гейнц, Ю.Э. Численный анализ эффективности нанопористого просветляющего покрытия из диоксида титана в применении к кремниевой солнечной энергетике / Ю.Э. Гейнц, Е.К. Панина // Компьютерная оптика. - 2026. - Т. 50, № 2. - 1722. - DOI: 10.18287/COJ1722.

Citation:
Geints YE, Panina EK. Numerical analysis of the efficiency of a nanoporous titanium dioxide antireflection coating for the use in silicon solar panels. Computer Optics 2026; 50(2): 1722. DOI: 10.18287/COJ1722.

References:

  1. Chapin DM, Fuller CS, Pearson GL. A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power. J Appl Phys 1954; 25(5): 676-677. https://doi.org/10.1063/1.1721711.
  2. Loferski JJ. The first forty years: A brief history of the modern photovoltaic age. Prog Photovolt: Res Appl 1993; 1(1): 67-78. https://doi.org/10.1002/pip.4670010109.
  3. Stabler HP. Silicon Solar Cells. Am J Phys 1960; 28: 994. doi:10.1119/1.1935994.
  4. Bailey S, Raffaelle R. Operation of Solar Cells in a Space Environment. In: McEvoy A, Markvart T, Castañer L, eds. Practical Handbook of Photovoltaics. 2nd ed. Boston: Academic Press; 2012: 863-880. doi:10.1016/B978-0-12-385934-1.00027-1.
  5. Green M, Dunlop E, Hohl-Ebinger J, Yoshita M, Kopidakis N, Hao X. Solar Cell Efficiency Tables (Version 57). Prog Photovolt: Res Appl 2021; 29: 3-15. doi:10.1002/pip.3371.
  6. Thomas RE, Varma S, Waechter D, Dodd CX, Das SR. Screen Printed Ta2O5 and TiO2 Antireflection Coatings for Crystalline and Polycrystalline Silicon Solar Cells. Can J Phys 1989; 67: 430-434. doi:10.1139/p89-076.
  7. Singh G, Verma SS. Design and Analysis of Thin Film GaAs Solar Cells Using Silver Nanoparticle. Plasmonics Photon Nanostructures: Fundamentals and Applications 2019; 37: 100731. doi:10.1016/j.photonics.2019.100731.
  8. Abu-Shamleh A, Alzubi H, Alajlouni A. Optimization of Antireflective Coatings with Nanostructured TiO2 for GaAs Solar Cells. Photon Nanostructures: Fundamentals and Applications 2021; 43: 100862. doi:10.1016/j.photonics.2020.100862.
  9. Sagar R, Rao A. Nanoscale TiO2 and Ta2O5 as Efficient Antireflection Coatings on Commercial Monocrystalline Silicon Solar Cell. J Alloys Compd 2021; 862: 158464. doi:10.1016/j.jallcom.2020.158464.
  10. Citek K. Anti-reflective coatings reflect ultraviolet radiation. Optom J Am Optom Assoc 2008; 79: 143-148. doi:10.1016/j.optm.2007.08.019.
  11. O'Regan B, Grätzel M. A Low-Cost, High-Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films. Nature 1991; 353: 737-740. http://dx.doi.org/10.1038/353737a0.
  12. Kim YJ, Lee YH, Lee MH, Kim HJ, Pan JH, Lim GI, et al. Formation of Efficient Dye-Sensitized Solar Cells by Introducing an Interfacial Layer of Long-Range Ordered Mesoporous TiO2 Thin Film. Langmuir 2008; 24: 13225-13230. doi:10.1021/la802340g.
  13. Wan D, Chen HL, Tseng TC, Fang CY, Lai YS, Yeh FY. Antireflective Nanoparticle Arrays Enhance the Efficiency of Silicon Solar Cells. Adv Funct Mater 2010; 20: 3064-3075. doi:10.1002/adfm.201000678.
  14. Manea E, Parvulescu CC, Purica M, Budianu E, Comanescu F. Antireflective Coatings with Nanostructured TiO2 Thin Films for Silicon Solar Cells. J Nano Res 2013; 21: 89-94. doi:10.4028/www.scientific.net/JNanoR.21.89.
  15. Salvaggio MG, Passalacqua R, Abate S, Perathoner S, Centi G, Lanza M, et al. Functional Nano-Textured Titania-Coatings with Self-Cleaning and Antireflective Properties for Photovoltaic Surfaces. Solar Energy 2016; 125: 227-242. doi:10.1016/j.solener.2015.12.012.
  16. Fujishima A, Rao TN, Tryk DA. Titanium dioxide photocatalysis. J Photochem Photobiol C: Photochem Rev 2000; 1(1): 1-21. https://doi.org/10.1016/S1389-5567(00)00002-2.
  17. Fujishima A, Zhang X, Tryk DA. TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surf Sci Rep 2008; 63(12): 515-582. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2008.10.001.
  18. Paz Y, Luo Z, Rabenberg L, Heller A. Photooxidative Self-Cleaning Transparent Titanium Dioxide Films on Glass. J Mater Res 1995; 10: 2842-2848. doi:10.1557/JMR.1995.2842.
  19. Muraca AR, Kershis MD, Camillone N, White MG. Ultrafast Dynamics of Acetone Photooxidation on TiO2(110). J Chem Phys 2019; 151: 161103. doi:10.1063/1.5122269.
  20. Adak D, Ghosh S, Chakrabarty P, Mondal A, Saha H, Mukherjee R, Bhattacharyya R. Self-cleaning V-TiO2:SiO2 thin-film coatings with enhanced transmission for solar glass cover and related applications. Solar Energy 2017; 155: 410-418. doi:10.1016/j.solener.2017.06.014.
  21. Son J, Kundu S, Verma LK, Sakhuja M, Danner AJ, Bhatia CS, Yang H. A practical superhydrophilic self cleaning and antireflective surface for outdoor photovoltaic applications. Solar Energy Mater Solar Cells 2012; 98: 46-51. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.10.011.
  22. Verma LK, Sakhuja M, Son J, Danner AJ, Yang H, Zeng HC, Bhatia CS. Self-cleaning and antireflective packaging glass for solar modules. Renewable Energy 2011; 36(9): 2489-2493. https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.02.017.
  23. Tamar Y, Tzabari M, Haspel C, Sasson Y. Estimation of the porosity and refractive index of sol-gel silica films using high resolution electron microscopy. Solar Energy Mater Solar Cells 2014; 130: 246-256. http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2014.07.020.
  24. Katagiri K, Yamazaki SI, Inumaru K, Koumoto K. Anti-reflective coatings prepared via layer-by-layer assembly of mesoporous silica nanoparticles and polyelectrolytes. Polym J 2015; 47: 190-194. https://doi.org/10.1038/pj.2014.104.
  25. Zhou Q, McIntosh DC, Chen Y, Sun W, Li Z, Campbell JC. Nanosphere natural lithography surface texturing as anti-reflective layer on SiC photodiodes. Opt Express 2011; 19: 23664-23670. https://doi.org/10.1364/OE.19.023664.
  26. Miao L, Su LF, Tanemura S, Fisher CAJ, Zhao LL, Liang Q, Xu G. Cost-effective nanoporous SiO2-TiO2 coatings on glass substrates with antireflective and self-cleaning properties. Appl Energy 2013; 112: 1198-1205. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.03.043.
  27. Krogman KC, Druffel T, Sunkara MK. Anti-reflective optical coatings incorporating nanoparticles. Nanotechnology 2005; 16(7): 338-343. doi:10.1088/0957-4484/16/7/005.
  28. Geints YE, Panina EK. Boosting Light Absorption of a Therapeutic Microcapsule by Means of Auxiliary Solid Nanoparticles. Opt Commun 2023; 537: 129444. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2023.129444.

Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20