Лазерный мир

Британские физики предложили способ повышения эффективности современных солнечных батарей за счет локального сдавливания полупроводниковых кристаллов при облучении их светом. Сдавливание материала приводит к возникновению в нем градиента механического напряжения и становится причиной впервые обнаруженного флексо-фотовольтаического эффекта, который наблюдается во всех известных полупроводниках, включая кремний, пишут ученые в Science.

Для всех современных солнечных батарей максимальная эффективность преобразования энергии падающего на них света в электрический ток имеет теоретический предел. Например, КПД любых однослойных солнечных элементов, состоящих из одного p-n-перехода, ограничивается пределом Шокли — Квайссера, который определяется долей солнечного света, поглощаемого фотоэлементом, и составляет около 34 процентов. Чтобы преодолеть этот предел, ученые предлагают различные способы, например, используют для проводимости так называемые горячие носители заряда, которые появляются в полупроводнике при поглощении света с энергией больше ширины запрещенной зоны.

В материалах, у кристаллической структуры которых отсутствует центральная симметрия (например, пьезо- или сегнетоэлектриках), преобразовать дополнительную энергию света в электрический ток также удавалось за счет аномального фотовольтаического эффекта, при котором фотовозбужденные электроны в материале имеют разную подвижность в разных направлениях. Из-за этого при поглощении света электрон смещается вдоль одной из осей кристалла, после чего в результате безызлучательного перехода спускается на соседний валентный уровень и становится способен вновь поглощать свет, смещаясь дальше. В результате возбуждения такого «тока смещения» материал может поглощать свет с энергией, во много раз превосходящую ширину запрещенной зоны.

Британские физики из Уорикского университета под руководством Марина Алекса (Marin Alexe) показали, что за счет аномального фотовольтаического эффекта можно повысить КПД не только сегнетоэлектриков с нарушенной центрально симметрией, но и любых полупроводников, включая в том числе самый распространенный в солнечных батареях материал — кремний. Для этого ученые предложили локально деформировать облучаемую поверхность отдельного полупроводникового кристалла, используя флексоэлектрический эффект, за счет которого градиент механического напряжения приводит к поляризации материала. В эксперименте ученые деформировали поверхность кристалла с помощью иголки атомного силового микроскопа или специального устройства для микровдавливания (microindentation) с силой до 15 микроньютонов. Деформируемая область облучалась лазером с длиной волны 405 нанометров.

Схема эксперимента, при котором исследуемый материал одновременно облучается лазером и сдавливается
M.-M. Yang et al./ Science, 2018

Ученые проверили предложенный метод на трех монокристаллах с выраженной центральной симметрией: оксиде титана(IV), титанате стронция и кремнии, освещая деформированный участок короткими лазерными импульсами. Оказалось, что для всех материалов предложенная схема приводит к возбуждению гигантского для этих кристаллов фототока — до нескольких десятков пикоампер при нагрузке 15 микроньютонов. При этом, например, плотность тока увеличивалась примерно на два порядка при повышении силы нажатия от 1 до 15 микроньютонов.

Обнаруженное явление, к которому привели одновременные флексоэлектрический и аномальный фотовольтаический эффекты, ученые назвали флексо-фотовольтаическим эффектом. Авторы работы считают, что его использование может значительно повысить эффективность тех полупроводниковых материалов, которые сейчас используются в солнечных батареях.

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/04/20/flexo-photovoltaic-effect