Комбинированное нано- и микроструктурирование для улучшения радиационного охлаждения и повышения эффективности фотоэлектрических элементов

Устройства, предназначенные для эксплуатации на открытом воздухе и содержащие материалы со среднеинфракрасным излучением в пределах атмосферного окна (8–13 мкм), обеспечивают пассивный отвод тепла в космическое пространство (~−270 °C) в дополнение к теплообмену с атмосферой, что делает их пригодными для охлаждения. Недавние исследования показали, что фотонное структурирование таких материалов на микромасштабе дополнительно повышает их спектральную излучательную способность. Этот подход особенно важен при эксплуатации в дневное время, когда солнечное излучение часто увеличивает тепловую нагрузку на устройство. Однако микромасштабное структурирование нередко является неоптимальным для длин волн за пределами диапазона 8–13 мкм, что ограничивает эффективность устройств. В данной работе показано, что наложение специально разработанных периодических наномасштабных и микромасштабных плоских структур повышает характеристики устройства в приложениях, связанных с солнечными элементами. Этот принцип применён к масштабируемым радиационным охладителям толщиной в несколько микрометров, изготовленным из простого однофазного материала (стекла) и размещённым на простых плоских кремниевых подложках; продемонстрировано повышение поглощения солнечного излучения примерно на 25,4% в сочетании со снижением температуры примерно на ≤5,8 °C. С использованием связанного оптоэлектротермического моделирования наномикроструктурированный охладитель исследован также для выбранных высокоэффективных кремниевых фотоэлектрических архитектур; достигнуто повышение эффективности примерно на 3,1%, что в 2,3 раза превышает результат, обеспечиваемый обычными антиотражающими слоями, при одновременном снижении рабочей температуры устройства. Помимо повышения характеристик наномикроструктурированного охладителя, предложенный подход к наложению двухпериодических или многопериодических решёток является универсальным и применим во всех случаях, когда характеристики устройства зависят от его отклика в нескольких частотных диапазонах.