Физики создали невозможную ловушку для солнечного света

Солнце обрушивает на Землю такое количество энергии, что, преобразуй мы её всю в электричество — хватило бы даже на тысячи таких цивилизаций. Беда в том, что солнечные элементы дороги, а КПД их низок. Однако недавно наметилось решение одной из этих проблем — нужно лишь научиться соединять несоединимое.

В конце марта 2004 года американские физики Кин Ман Ю (Kin Man Yu) и Владек Валюкевич (Wladek Walukiewicz) из лаборатории Беркли (Berkeley Lab) объявили о создании необычного материала, который ещё на шаг приблизил человечество к созданию фотоэлектрических элементов невиданной эффективности.

Собственно, теперь загвоздка в одном — научиться производить этот чудо-материал в промышленных количествах. Уж больно экзотическим оказался метод его получения. Но обо всём по порядку.

Как работает классический солнечный элемент? Там есть два тонких слоя полупроводников. Один из них n-типа (с избытком электронов в энергетической зоне проводимости), а другой p-типа (с избытком "дырок").

Ток во внешней цепи, подключённой к слоям, возникает, когда падающий на полупроводник n-типа фотон поглощается электроном из валентной зоны, вследствие чего последний увеличивает свою энергию и "прыгает" через так называемую "запретную зону" на уровень проводимости.

Ширина запретной зоны, которую нужно преодолеть, определяет частоту излучения, на которую будет откликаться эта фотоэлектрическая ячейка. Похоже на пропасть, которую можно перепрыгнуть лишь в один приём, но никак не в два шага.

Почему же обычные солнечные батареи имеют низкий КПД? А просто если энергия фотона недостаточна для "прыжка" (частота света низкая), фотон вообще не поглощается материалом. А если слишком высокая, львиная доля энергии падающего света теряется впустую — уходит на нагрев материала.

Кристаллический кремний, например, имеет запретную зону шириной в 1,1 эВ. Большая часть фотонов, испускаемых Солнцем, имеет значительно большую энергию. Потому кремниевые фотоэлементы никогда не будут обладать высоким КПД.

Физикам известна масса полупроводников, составленных из сложных смесей, которые откликаются на ту или иную частоту излучения. Давно возникла идея: сделать слоёный пирог из нескольких таких полупроводников. Каждый слой — очень тонкий. Вместе они поглощали бы фотоны различной частоты, закрывая широкий спектр.

Но оказалось, что сделать это очень трудно. Мешают свойства самих материалов — не стыкуются их кристаллические решётки, ведь здесь необходимо не простое механическое соединение.

К слову, в обычной паре p и n полупроводников, составляющих элемент — полупроводник, собственно, один и тот же (кремний хотя бы), только легированный в двух этих своих слоях разными примесями.

Лучший фотоэлемент с несколькими стыкованными слоями из совершенно разных материалов, созданный до сих пор, состоял, в общем-то, только из двух полупроводников и показал КПД 30%.

Теперь ближе к последним событиям. В 1999 году Валюкевич и его коллеги случайно получили материал с расколотой — раздвоенной — полосой поглощения.

То есть, он один откликался на фотоны двух разных частот. Это было соединение мышьяка, индия и галлия с добавкой азота.

Прошло некоторое время, прежде чем исследователи поняли механизм такого расщепления энергетических уровней.

Оказалось, что в определённых случаях примесь в полупроводнике создаёт собственную энергетическую зону, промежуточную между валентной зоной основного полупроводника и его же зоной проводимости.

Это выглядело, как летающая платформа на середине "пропасти", о которой мы говорили выше. Совместно эти три энергетических уровня (1, 2 и 3) создавали систему воспринимающую два излучения, соответствующих "прыжкам": 1-2, 2-3 и 1-3.

Это и было то самое преодоление пропасти в два шага, а результат — перекрытие почти всего солнечного спектра одним единственным материалом! Явление назвали "феномен мультизоны" (или "мультипромежутка").

Всё бы хорошо, но выяснилось, что для формирования наиболее эффективной, удачно настроенной что ли, подобной системы нужно было вводить в материал такой легирующий элемент, который ну никак не хотел уживаться с "хозяином". А именно к полупроводникам из III-V группы таблицы Менделеева нужно внедрять азот, а к полупроводникам II, VI группы — кислород. Последнее сулило особенно радужные перспективы.

Так как ни при каких условиях, казалось вначале, легирующие атомы, не хотели помещаться туда, куда их "приглашали" физики, такие системы назвали "высоко несогласованными сплавами".

И вот теперь учёные из Беркли ухитрились-таки "поженить" кислород с системой теллура, марганца и цинка. Получился высоко несогласованный сплав, бодро откликающийся почти на весь солнечный спектр.

Вот теперь о печальном. Об ухищрениях, понадобившихся для создания "невозможного" материала.

"Было важно, чтобы атомы кислорода были распределены равномерно по материалу. Чтобы заманивать в ловушку достаточно много ионов кислорода, вы должны сделать это с материалом в жидком состоянии и очень быстро. Вы не можете нагревать материал медленно, потому что кислород быстро улетучится, — объяснил Кин Ман Ю.

— Мы сделали это в два шага: использовали ионные лучи, чтобы внедрить кислород, а потом мощный импульсный лазер, чтобы мгновенно расплавить ZnMnTe и сразу же повторно кристаллизовать сплав. Весь лазерный процесс занимает только несколько сотен наносекунд".

Таким образом, исследователи создали цельный кристалл ZnMnTe, верхний слой которого 0,2 микрометра толщиной имел достаточно много атомов кислорода, чтобы "расколоть" энергетическую зону поглощения.

Новый материал воспринимал фотоны сразу трёх частот — с энергией 0,7; 1,8 и 2,6 эВ. Расчётный КПД солнечных батарей на такой основе — 57%.

Но радоваться рано. Сейчас сложно представить, как можно в промышленных масштабах воспроизвести процесс, который изобрели учёные Беркли. К тому же, для достижения расчётной эффективности слой, легированный кислородом, должен быть толщиной 0,5 микронов. Так что до промышленных технологий ещё шагать и шагать.

Но есть обнадёживающие признаки, что проблема будет-таки решена. Недавно японские исследователи, по словам Ю, получили толстые кристаллы селенида цинка, легированные кислородом.

Материал предоставлен интернет-журналом MEMBRANA (www.membrana.ru)