Физики создали невозможную ловушку для солнечного света
Солнце обрушивает на Землю такое количество энергии, что, преобразуй мы её всю в электричество — хватило бы кроме того на тысячи таких цивилизаций. Беда в том, что солнечные элементы дороги, а КПД их низок.
Но сравнительно не так давно наметилось ответ одной из этих неприятностей — необходимо только обучиться соединять несоединимое.
В последних числах Марта 2004 года американские физики Кин Ман Ю (Kin Man Yu) и Владек Валюкевич (Wladek Walukiewicz) из лаборатории Беркли (Berkeley Lab) заявили о создании необыкновенного материала, что ещё на ход приблизил человечество к созданию фотоэлектрических элементов невиданной эффективности.
Фактически, сейчас загвоздка в одном — обучиться создавать данный чудо-материал в промышленных количествах. Уж больно экзотическим был способ его получения.
Но обо всём по порядку.
Как трудится хороший солнечный элемент? В том месте имеется два узких слоя полупроводников.
Один из них n-типа (с избытком электронов в энергетической территории проводимости), а второй p-типа (с избытком «дырок»).
Ток во внешней цепи, подключённой к слоям, появляется, в то время, когда падающий на полупроводник n-типа фотон поглощается электроном из валентной территории, благодаря чего последний увеличивает собственную энергию и «прыгает» через так именуемую «запретную территорию» на уровень проводимости.
Ширина запретной территории, которую необходимо преодолеть, определяет частоту излучения, на которую будет откликаться эта фотоэлектрическая ячейка. Похоже на пропасть, которую возможно перепрыгнуть только в один приём, но никак не в два шага.
Отчего же простые солнечные батареи имеют низкий КПД? А просто в случае если энергия фотона недостаточна для «прыжка» (частота света низкая), фотон по большому счету не поглощается материалом.
А вдруг через чур высокая, львиная часть энергии падающего света теряется впустую — уходит на нагрев материала.
Кристаллический кремний, к примеру, имеет запретную территорию шириной в 1,1 эВ. Большинство фотонов, испускаемых Солнцем, имеет намного большую энергию.
Потому кремниевые фотоэлементы ни при каких обстоятельствах не будут владеть высоким КПД.
Физикам известна масса полупроводников, составленных из сложных смесей, каковые откликаются на ту либо иную частоту излучения. В далеком прошлом появилась мысль: сделать слоёный пирог из нескольких таких полупроводников. Любой слой — тонкий.
Совместно они поглощали бы фотоны разной частоты, закрывая широкий спектр.
Но оказалось, что сделать это весьма тяжело. Мешают свойства самих материалов — не стыкуются их кристаллические решётки, поскольку тут нужно не простое механическое соединение.
Схема работы простого фотоэлектрического элемента (схема с сайта lbl.gov).
К слову, в простой паре p и n полупроводников, составляющих элемент — полупроводник, фактически, одинаковый (кремний хотя бы), лишь легированный в двух этих собственных слоях различными примесями.
Лучший фотоэлемент с несколькими стыкованными слоями из совсем различных материалов, созданный до сих пор, состоял, в неспециализированном-то, лишь из двух полупроводников и продемонстрировал КПД 30%.
Сейчас ближе к последним событиям. Во второй половине 90-ых годов двадцатого века Валюкевич и его коллеги случайно взяли материал с расколотой — раздвоенной — полосой поглощения.
Другими словами, он один откликался на фотоны двух различных частот. Это было соединение мышьяка, галлия и индия с добавкой азота.
Прошло некое время, перед тем как исследователи осознали механизм для того чтобы расщепления энергетических уровней.
Оказалось, что в определённых случаях примесь в полупроводнике создаёт собственную энергетическую территорию, промежуточную между валентной территорией главного полупроводника и его же территорией проводимости.
Это смотрелось, как летающая платформа на середине «пропасти», о которой мы говорили выше. Совместно эти три энергетических уровня (1, 2 и 3) создавали совокупность принимающую два излучения, соответствующих «прыжкам»: 1-2, 2-3 и 1-3.
Это и было то самое преодоление пропасти в два шага, а итог — перекрытие практически всего солнечного спектра одним единственным материалом! Явление назвали «феномен мультизоны» (либо «мультипромежутка»).
Различие между заманчивыми, но трудновыполнимыми, мультислойными фотоэлементами (складывающимися из различных материалов) и единым материалом с эффектом энергетической мультизоны (схема с сайта lbl.gov).
Всё бы прекрасно, но стало известно, что для создания самая эффективной, удачно настроенной что ли, подобной системы необходимо было вводить в материал таковой легирующий элемент, что ну никак не желал уживаться с «хозяином». В частности к полупроводникам из III-V группы таблицы Менделеева необходимо внедрять азот, а к полупроводникам II, VI группы — кислород.
Последнее сулило особенно радужные возможности.
Так как ни в каком случае, казалось сначала, легирующие атомы, не желали помещаться в том направлении, куда их «приглашали» физики, такие совокупности назвали «высоко несогласованными сплавами».
И вот сейчас учёные из Беркли ухитрились-таки «поженить» кислород с совокупностью теллура, цинка и марганца. Оказался высоко несогласованный сплав, бодро откликающийся практически на целый солнечный спектр.
Вот сейчас о печальном. Об ухищрениях, пригодившихся для «неосуществимого» материала.
«Было принципиально важно, дабы атомы кислорода были распределены равномерно по материалу. Дабы заманивать в ловушку достаточно большое количество ионов O, вы должны сделать это с материалом в жидком состоянии и весьма скоро. Вы не имеете возможность нагревать материал медлительно, по причине того, что кислород скоро улетучится, — растолковал Кин Ман Ю.
— Мы сделали это в два шага: применяли ионные лучи, дабы внедрить кислород, а позже замечательный импульсный лазер, дабы мгновенно расплавить ZnMnTe и сразу же повторно кристаллизовать сплав. Целый лазерный процесс занимает лишь пара сотен наносекунд».
Так, исследователи создали цельный кристалл ZnMnTe, верхний слой которого 0,2 микрометра толщиной имел достаточно большое количество атомов кислорода, дабы «расколоть» энергетическую территорию поглощения.
Новый материал принимал фотоны сходу трёх частот — с энергией 0,7; 1,8 и 2,6 эВ. Расчётный КПД солнечных батарей на таковой базе — 57%.
Всё больше частных домов во всём мире приобретают «солнечный апдейт» (фото с сайта oregonseia.org).
Но радоваться рано. на данный момент сложно представить, как возможно в промышленных масштабах воспроизвести процесс, что изобрели учёные Беркли. К тому же, с целью достижения расчётной эффективности слой, легированный кислородом, должен быть толщиной 0,5 микронов.
Так что до промышленных разработок ещё шагать и шагать.
Но имеется обнадёживающие показатели, что неприятность будет-таки решена. Сравнительно не так давно японские исследователи, по словам Ю, взяли толстые кристаллы селенида цинка, легированные кислородом.
