Фотоны гоняют электронов толпами

9,5-нанометровые кристаллы кремния обладают эффектом мультигенерации экситонов

Фото: polmi.ru
Физикам удалось найти свойство нанокристаллов кремния, которое может устроить переворот в солнечной энергетике. Кристаллы определённого размера при поглощении одного фотона генерируют не одну, а почти три пары «электрон-дырка». Чтобы эффект проявился, достаточно прямого солнечного света.

Исследователи из отдела Лаборатории возобновляемой энергетики Департамента энергетики США в сотрудничестве с Innovalight, Inc. обнаружили, что недавно открытый и очень важный квантовый эффект множественной генерации экситонов (МГЭ) проявляется и в нанокристаллах кремния.

Эффект заключается в том, что в полупроводниках при поглощении одного фотона вышибается из кристаллической решётки более одного электрона

Соответственно, увеличивается и количество дырок (так называются квазичастицы, при помощи которых физики пытаются описать блуждающие по решётке положительные заряды). Пара «электрон-дырка» и есть экситон. Чем больше в полупроводнике экситонов (при прочих равных), тем сильнее ток. Зависимость, конечно, не прямая, но очевидная.

Стоит отметить, что эффект проявляется не в сплошном кристалле кремния, а в его коллоидных нанокристаллах. Как установили сотрудники Лаборатории возобновляемой энергетики при помощи сверхбыстрой нестационарной абсорбационной спектроскопии, размер таких частиц должен быть 9,5 нм. И тогда при поглощении фотона с длиной волны менее 420 нм (фиолетовая часть видимого спектра, ультрафиолетовое излучение и т.д.) из кристаллика вышибается не один, а почти три электрона (2.6+/--0.2e).

Это первое открытие МГЭ в полупроводниках с непрямым межзонным переходом. До сих пор эффект отслеживали только в нанокристаллах прямозонных полупроводников, таких как PbSe, PbS, PbTe, CdSe, InAs. Но они не используются в солнечных батареях широкого потребления из-за экологической опасности. Зато кремний — основной полупроводниковый материал. И из него сделаны 93% фотоэлементов, присутствующих на рынке.

Исследователи вполне резонно полагают, что эффект МГЭ в кремниевых нанокристаллах резко повысит коэффициент преобразования световой энергии в электрическую в солнечных батареях.

Это позволит снизить себестоимость солнечной энергии и повысит ее конкурентоспособность на рынке основных источников энергии. Правда, насколько серьёзные изменения ждут рынок, авторы пока не подсчитывали. Однако в связи с серьёзной нехваткой кремния (из-за чего, кстати, долларовые цены на него на российском рынке за последние 5 лет выросли почти вдвое) новая технология повышения КПД фотоэлектрических преобразователей может довольно быстро распространиться.

Дело в том, что в современных фотоэлементах преобразование фотонов в электричество сопровождается потерями 50% энергии падающего потока в связи с выделением тепла. Эффект МГЭ позволит существенно снизить тепловые потери. В частности, современные солнечные батареи, генерирующие под воздействием одного фотона один экситон, работают с КПД 33% при обычном солнечном свете и с КПД 40%, если сконцентрировать его за счёт системы зеркал в 500 раз. При тех же условиях полупроводник на 9,5-нанометровых кристаллах кремния должен работать с КПД 44% и 68% соответственно. По крайней мере, так следует из расчётов сотрудников лаборатории Марка Ханны и Артура Ноузика. Кстати, последний и предсказал теоретическую возможность мультигенерации экситонов в 1997 году, говорят авторы работы.

Сейчас лаборатория пытается подобрать размер нанокристаллов, который охватывает не только фиолетовую, но и остальные части спектра солнечного излучения. Заодно они надеются найти кристаллы, которые бы давали ещё более мощный эффект мультигенерации экситонов. А текущие результаты опубликованы в журнале Nano Letters.