Российские ученые нашли эффективный способ удешевить солнечные батареи

Ученые Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) Национального исследовательского ядерного университета МИФИ разработали технологию создания материала нового типа, состоящего из квантовых точек.  Результаты исследования, опубликованного в Journal of Physical Chemistry Letters, помогут разработать недорогие солнечные батареи, поглощающие солнечный свет в широком спектральном диапазоне.
 
Из-за сокращения запасов традиционного топлива человечество остро нуждается в альтернативных источниках энергии. Одним из таких источников является Солнце, чей свет можно преобразовать в электрическую энергию. Устройства, при помощи которых можно осуществить данный процесс, называются фотовольтаическими. На данный момент в их основе лежат неорганические полупроводниковые материалы на основе кремния. Но у них есть ряд существенных недостатков. Во-первых, коэффициент полезного действия кремниевой батареи ограничен. Он составляет около 20%, поскольку такие элементы не могут переработать весь спектр солнечного света и часть излучения просто проходит сквозь них. Во-вторых, производство кремниевых солнечных батарей — сложный и дорогостоящий процесс. Поэтому сегодня во всем мире активно исследуют возможность использования в батареях новых перспективных материалов, в частности органических и наногибридных полупроводников.
 
Когда мы говорим о квантовых точках, следует помнить, что они могут состоять не из одного, а из десятков атомов. Главной характеристикой этих объектов является изменение их свойств (например, оптических и электронных), происходящее при определенном размере и форме квантовой точки. В квантовом мире физические явления не могут быть объяснены привычными законами механики. Это микромир, принадлежащий электронам, фотонам, молекулам, атомам. В нем нет четких причин и следствий, к которым мы привыкли в макромире.
 
Квантовая механика представляет собой свод законов, с помощью которых можно рассмотреть происходящее в микромире как будто через бинокль. Поведение отдельно взятой частицы (например, электрона) может довольно серьезно повлиять на свойства объекта. В частности, изменения физических свойств квантовой точки являются следствием ограничения движения носителей заряда (электронов и дырок) в пространстве. В квантовой точке носители обездвижены по трем измерениям, они находятся в "энергетической яме".  
 
Между квантовыми точками носители заряда "путешествуют" за счет явления, называемого туннельным переходом. Так называется процесс, когда электрон "перепрыгивает" через энергетический барьер, "высота" которого больше полной энергии самого электрона. 


 
В квантовых точках возникает эффект размерного квантования — меняются свойства кристалла, в частности электронно-оптические. Дело в том, что от количества атомов, образующих квантовую точку, зависит разность уровней энергии электронов и дырок, что влияет на диапазон поглощаемого света. 
 
"В опубликованной работе показано, что перенос заряда и энергии в конденсатах квантовых точек можно описывать сравнительно простым образом. Это существенно облегчает задачу теоретического моделирования транспорта носителей заряда, необходимого для оптимизации характеристик оптоэлектронных устройств на основе квантовых точек", — комментирует один из авторов работы, профессор кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Владимир Никитенко.
 
Изготовление конденсатов квантовых точек производится простыми недорогими методами, но для получения качественного покрытия необходимо тщательно подбирать условия изготовления, а также тип органических молекул, "сшивающих" квантовые точки между собой. 
 
Возможность замены лигандов позволяет менять расстояние между квантовыми точками и тем самым управлять эффективностью переноса энергии и заряда. В НИЯУ МИФИ освоили технологию замены лигандов при комнатной температуре, что значительно облегчает данный процесс.
 
"Наногибридные материалы с квантовыми точками могут быть использованы не только для создания фотовольтаических элементов или светодиодов, но и для более сложных полупроводниковых структур. Например, таких, которые могут быть использованы для создания высокочувствительных сенсоров нового поколения", — отмечает один из авторов работы, профессор кафедры физики микро- и наносистем НИЯУ МИФИ Александр Чистяков.