Фотоны «задерживают» вблизи кремния, чтобы улучшить солнечные панели
Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне, Казанского федерального университета и Тель-Авивского университета модернизировали взаимодействие света с кремниевыми полупроводниками. Метод открывает путь к производству сверхтонких кремниевых солнечных элементов.
Ученые обнаружили способ превращения кремния — второго по распространенности элемента в земной коре — из непрямозонного в практически прямозонный полупроводник без изменения его химической структуры. Ключевой особенностью метода стало ограничение фотонов на крошечных выступах размером менее 3 нм у поверхности кремния, что позволило существенно увеличить поглощение света.
В полупроводниковых материалах с прямой запрещенной зоной электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс требует только изменения энергии; это эффективный перенос.
В материалах с непрямой запрещенной зоной, таких как кремний, необходим дополнительный компонент — фонон, чтобы обеспечить электрону импульс, необходимый для перехода. Поскольку вероятность взаимодействия фотона, фонона и электрона в одном и том же месте и в одно и то же время мала, оптические свойства кремния изначально слабы.
Дмитрий Фишман, доцент химии Калифорнийского университета в Ирвайне
Физики экспериментировали с необычным подходом: они дали фотонам дополнительный импульс, который позволяет им напрямую взаимодействовать с электронами без участия дополнительных частиц. Они поймали фотоны на очень маленьких выступах около кремния. Этот метод увеличивает поглощение света в 10 000 раз, что открывает невероятные перспективы для создания сверхтонких солнечных панелей.
Традиционные кремниевые солнечные элементы требуют толстых слоев — около 200 мкм — для эффективного улавливания солнечного света, что удорожает производство. Новая технология позволит создавать тонкопленочные солнечные панели, которые могут быть дешевле, легче и более универсальны в применении. Ученые видят потенциал для использования таких панелей в термоэлектрической одежде, зарядных устройствах и транспортных средствах.