Дослідники перетворили кремній на напівпровідник із прямою смугою пропускання

Створивши новий спосіб взаємодії світла і матерії, дослідники з Каліфорнійського університету в Ірвайні створили ультратонкі кремнієві сонячні елементи, які можуть допомогти поширити технологію перетворення енергії на широкий спектр застосувань, включно з термоелектричним одягом, зарядкою автомобілів і пристроїв на борту.

Розробка, що стала предметом статті, нещодавно опублікованої в журналі ACS Nano, ґрунтується на перетворенні чистого кремнію з напівпровідника з непрямою смугою пропускання в напівпровідник з прямою смугою пропускання завдяки тому, як він взаємодіє зі світлом.

Команда дослідників у співпраці з вченими з Казанського федерального університету і Тель-Авівського університету використовувала підхід, який полягає в тому, що світло не змінює сам матеріал, а створює умови для його впливу. Вони помістили фотони на суб-3-нанометрові асперименти поруч з об'ємним напівпровідником, наділивши світло новою властивістю - розширеним імпульсом, - яке відкриває нові шляхи взаємодії між світлом і речовиною. За словами дослідників, «прикрасивши» поверхню кремнію, вони домоглися збільшення поглинання світла на порядки, а також значного підвищення продуктивності пристрою.

«У напівпровідникових матеріалах із прямою смугою пропускання електрони переходять із валентної смуги в смугу провідності. Цей процес вимагає тільки зміни енергії, це ефективний перехід», - зазначив провідний автор роботи Дмитро Фішман (Dmitry Fishman), ад'юнкт-професор хімії Каліфорнійського університету в Ірвайні. «У матеріалах із непрямою смугою пропускання, таких як кремній, потрібен додатковий компонент - фонон - для надання електрону імпульсу, необхідного для переходу. Оскільки ймовірність взаємодії фотона, фонона та електрона в одному і тому ж місці й в один і той же час невелика, оптичні властивості кремнію за своєю природою слабкі».

За його словами, слабкі оптичні властивості кремнію, як напівпровідника з непрямою смугою пропускання, обмежують розвиток перетворення сонячної енергії та оптоелектроніки загалом, що є недоліком, з огляду на те, що кремній - другий за поширеністю елемент у земній корі та основа, на якій було побудовано світову комп'ютерну та електронну промисловість.

«Фотони несуть енергію, але майже не мають імпульсу, але якщо ми змінимо це пояснення в підручниках і якимось чином надамо фотонам імпульс, ми зможемо збуджувати електрони, не потребуючи додаткових частинок», - каже співавтор роботи Ерік Потма (Eric Potma), професор хімії Каліфорнійського університету в Ірвайні. «Це зводить взаємодію всього до двох частинок, фотона й електрона, подібно до того, як це відбувається в напівпровідниках із прямою смугою пропускання, і збільшує поглинання світла в 10 000 разів, повністю перетворюючи взаємодію світла і матерії без зміни хімії самого матеріалу».

Співавтор Ара Абгарян, (Ara Apkarian) заслужений професор хімії Каліфорнійського університету в Ірвайні, сказав: «Це явище докорінно змінює те, як світло взаємодіє з речовиною. Традиційно підручники розповідають нам про так звані вертикальні оптичні переходи, коли матеріал поглинає світло, а фотон змінює тільки енергетичний стан електрона. Однак фотони з посиленим імпульсом можуть змінювати як енергетичний, так і імпульсний стан електронів, відкриваючи нові шляхи переходу, про які ми раніше не замислювалися. Образно кажучи, ми можемо «перевернути підручник», оскільки ці фотони дозволяють здійснювати діагональні переходи. Це суттєво впливає на здатність матеріалу поглинати або випромінювати світло».

За словами дослідників, ця розробка дає можливість використовувати останні досягнення в технологіях виготовлення напівпровідників на рівні суб-1,5 нм, що потенційно може вплинути на технології фоточутливості та перетворення енергії світла.

«В умовах загострення наслідків зміни клімату як ніколи гостро стоїть питання переходу від викопного палива до відновлюваних джерел енергії. Сонячна енергія відіграє ключову роль у цьому переході, проте комерційні сонячні батареї, на які ми покладаємося, не справляються зі своїм завданням», - каже Ерік Потма. «Слабка здатність кремнію поглинати світло означає, що для ефективного уловлювання сонячного світла ці елементи вимагають товстих шарів - майже 200 мкм чистого кристалічного матеріалу. Це не тільки підвищує вартість виробництва, а й обмежує ефективність через підвищену рекомбінацію носіїв заряду. Тонкоплівкові сонячні елементи, які стали на крок ближче до реальності завдяки нашому дослідженню, широко розглядаються як розв'язання цих проблем».

Про DCIM у забезпеченні успішної роботи ІТ-директора