0
26093
Газета Наука Печатная версия

21.03.2023 19:27:00

Преобразование энергии света в электрическую «разогнали» на 250%

Кремниевым фотоэлементам придется потесниться

Тэги: физика, технологии, свет, электричество, фотоэлементы


физика, технологии, свет, электричество, фотоэлементы Световой поток, падающий на поликристаллические пленки перовскита (показаны бирюзовым цветом), расположенные на слоях подложки из серебра и Al2O3, генерирует электрический ток (красно-синие электрон-дырочные пары). Иллюстрация Physorg

Человечество буквально купается в океане даровой энергии, которую мы не можем обратить на собственные нужды. Оценки показывают, что за световой день Земля получает столько солнечной энергии, сколько населяющие ее люди производят за год. А вот даже примитивные безъядерные клетки (прокариоты), не имевшие еще зеленого хлорофилла, смогли около 3 млрд лет назад наладить процесс фотосинтеза. То есть синтез собственной органики за счет энергии солнечного света.

Фотосинтез начинается с улавливания солнечных фотонов молекулярными антеннами хлоропластов зеленого листа. Их энергии оказывается достаточно не только для возбуждения электрона атома марганца, но и для удаления его с орбиты. Возбужденный электрон «живет» недолго, и его пребывание на уровнях с большей энергией длится фемтосекунды (10–15 с.). Затем электрон релаксирует и опускается на исходный уровень. Эта рекомбинация сопровождается испусканием фотона меньшей энергии, например зеленого цвета с большей длиной волны, в то время как возбуждающий свет был синего или голубого цвета.

Нехватка энергии свидетельствует о том, что совершалась работа по перемещению электрона. Естественно, что на месте выбитого фотоном электрона остается так называемая дырка (hole).

Вся проблема солнечной энергетики связана с быстрой рекомбинацией электрон-дырочной пары, мешающей повышению эффективности фотопанелей. Эти устройства делаются на основе дорогого в получении и производстве чистого кремния. Физики давно уже бьются над вопросом максимально долгого сохранения пар отрицательных зарядов электронов и положительно заряженных дырок.

Один из подходов предложен сотрудниками Университета г. Рочестер (США). Их статья в журнале Nature Photonics называется «Гигантское подавление-супрессия скорости рекомбинации в 3D-перовските для повышения фотодетекторной работы». Авторы отмечают, что этот эффект удалось получить прежде всего благодаря использованию наложенных друг на друга тонкопленочных слоев перовскита, обогащенных включениями соединения свинца с галогенами (Plumbum halide – PbI3, йодид свинца). Расположив несколько пленок перовскита на металлической подложке из слоев серебра и оксида алюминия (Al2O3), удалось продлить время жизни переносчика отрицательного заряда. То есть электрона в свободном состоянии, «отделенного» от дырки. При этом форма электронного облака в зависимости от направления оси спина приобретает форму восьмерки или объемного тора-бублика.

В Рочестере сумели достичь резкого снижения скорости рекомбинации электрон-дырочной пары в плоскости поликристаллических пленок перовскита. Этому помогало их размещение на плазмонном зеркале из серебра или на специально созданном для этого метаматериале. Эффект снижения составил 50 и 30% соответственно.

Дело в том, что на поверхности благородных металлов довольно быстро генерируются волны «обобществленных» электронов, получившие название «плазмоны». Вслед за этим было получено 10-кратное уменьшение скорости рекомбинации при использовании соединения свинца с цезием, йодом и бромом.

Ученые объясняют этот успех с точки зрения динамики улавливания экситонов – виртуальных частиц, образующихся в результате возбуждения электрона и отделения его от дырки. Контролируя скорость рекомбинации в пленках перовскита с добавлением йодида свинца, авторы этой экспериментальной работы получили в общей сложности увеличение ответа на освещение (photoresponsivity) светового детектора на фантастические 250%.

Целый век главным полупроводником считался кремний, который довольно дорого и трудно доводить до нужной степени технологической чистоты. В этом отношении перовскит намного предпочтительнее, поскольку его можно производить в контролируемых условиях. Он прекрасно ведет себя на подложках из чередующихся слоев металла и диэлектрика (изолятора). Это и позволило увеличить конверсию энергии света в электрическую на 250%.

Однако не надо думать, что все проблемы этим достижением решены. Перовскит, к сожалению, быстро деградирует, распадается, в отличие от кремния, оксиды которого представляют собой знакомые всем песок и стекло. Поэтому, не останавливаясь на достигнутом, фотофизики Рочестера напряженно работают над увеличении «лайфтайма» полученных ими тонкопленочных кристаллов перовскита.


Читайте также


Квантовую механику обожал как женщину

Квантовую механику обожал как женщину

Ольга Рычкова

Писатель, лауреат премии «НГ» «Нонконформизм» Андрей Бычков о воображении, иллюзиях и странных частицах

0
518
Константин Ремчуков. США ввели запрет на инвестиции в высокотехнологичные сектора Китая по мотивам нацбезопасности

Константин Ремчуков. США ввели запрет на инвестиции в высокотехнологичные сектора Китая по мотивам нацбезопасности

Константин Ремчуков

Мониторинг ситуации в КНР по состоянию на 05.11.24

0
717
Константин Ремчуков. Китай собирается отправлять в космос туристов уже в 2027 году

Константин Ремчуков. Китай собирается отправлять в космос туристов уже в 2027 году

Константин Ремчуков

Мониторинг ситуации в КНР по состоянию на 28.10.24

0
6041
Локальная нехватка электрогенерации в России и мире может запутать нейросети

Локальная нехватка электрогенерации в России и мире может запутать нейросети

Анастасия Башкатова

Искусственному интеллекту предстоит побороться с майнерами за источники энергии

0
2987

Другие новости