Учёные из Национальной лаборатории корпорации Sandia (Sandia National Laboratories) разработали крошечные фотоэлектрические ячейки, которые потенциально могут революционизировать способ сбора и использования солнечной энергии. Например, эти микроскопические ячейки превратят человека в передвижное "зарядное устройство", если их закрепить на гибкой основе, перенесённой на одежду. Изготовленные из кристаллического кремния солнечные частицы помимо многообещающего потенциала должны быть более эффективными и дешевыми, чем существующие ячейки. Производятся новые устройства с использованием микроэлектронных и микроэлектромеханических систем (MEMS).

Возглавляемая Грегом Нильсоном (Greg Nielson) группа исследователей идентифицировала более 20 преимуществ малого масштаба своих микроячеек. Как объясняет Нильсон, в конечном итоге массово выпускаемые фотоэлектрические устройства могут встраиваться в здания, палатки и одежду. Охотники, путешественники и военный персонал получат решения для подзарядки мобильных телефонов, камер и другой электроники, действующие без необходимости развёртывания на местности солнечных панелей с большой площадью. "Фотоэлектрические модули из микроячеек для крыш домов могут иметь интеллектуальный контроль, преобразователи тока и даже устройства хранения энергии, интегрированные на уровне чипа. Такое решение значительно упростит конструкцию, снизит стоимость и процесс установки сетей из солнечных элементов", - говорит инженер лаборатории Випин Гупта (Vipin Gupta). Частично стоимость снижается вследствие относительно небольшого количества материала, требуемого для формирования хорошо контролируемых микроустройств.

Толщина новых ячеек составляет 14-20 мкм, а диаметр – от 0,25-1 мм. На изготовление солнечной панели площадью 232 см² (6" х 6") требуется в 100 раз меньше кремния в случае использования этих микроэлементов по сравнению с обычными кремниевыми панелями. Количество генерируемой энергии при этом такое же, а допустимая механическая нагрузка – больше. Дополнительное преимущество также заключается в возможности производства микроячеек из коммерческих пластин любого размера, в том числе из 300-мм (12") подложек и будущих 450-мм (18"). Более того, если при производстве одна ячейка будет повреждена, это не приведёт к отбраковке всей пластины, тогда как при изготовлении обычных панелей непригодной становится вся подложка. А панели большей чем стандартная (6" х 6") площади из подложек большего размера будут нуждаться в увеличении толщины проводников, поднимая стоимость ещё выше. Этой проблемы не существует с микроячейками и индивидуальной разводкой проводников для них.

Лучше переносит разработка и тень. В условиях частичного затенения, где обычная солнечная панель перестанет функционировать, устройство из микроячеек продолжит генерировать электричество. Поскольку гибкую основу достаточно легко получить, высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи для широкого использования в повседневных задачах становятся более реальными. Коммерческий шаг к микромасштабным солнечным элементам, как рассчитывают исследователи, станет значительной переменой по сравнению с модулями из массивов 6" панелей. Благодаря распространённым в индустриях MEMS, электроники и LED-диодов технологиям производственный переход будет относительно безболезненным. Например, электрические контакты для каждой ячейки шестиугольной формы, формируемой на кремниевой подложке, получаются с использованием техники производства интегральных схем.

В данный момент эффективность преобразования солнечной энергии микроячейками достигает 14,9%. Для присутствующих на рынке коммерческих решений характерен показатель 13-20%. Стандартное производственное оборудование для переноса и установки компонентов (pick-and-place machine), применяемое в массовой сборке электроники, может разместить до 130 тыс. ячеек в час на подготовленных площадках с электрическими контактами, процесс проходит при низкой температуре. Стоимость - $0,001 за один микроэлемент, а их количество в модуле определяется уровнем оптической концентрации и размером кристалла и варьируется от 10 тыс. до 50 тыс. на 1 м². В разработке находится альтернативная технология самосборки, которая ещё больше снизит стоимость. Солнечные концентраторы – дешёвые массивы микролинз – могут быть помещены непосредственно на каждую ячейку для повышения количества собираемых фотонов. Помимо уже упомянутых прикладных сфер, разработчики видят применение микроячейкам в спутниках и беспроводных сенсорах.