Лабораторные тесты показали, что полупроводник на базе сульфида висмута способен сократить потери солнечной энергии на 75%. Этот материал отличается редкой квантовой конфигурацией, которую называют псевдопрямым полупроводником.
Ирина Петрова
Бесконтактные оптические датчики для измерения характеристик полупроводников. Источник: Лаура Херц
Специалисты Оксфордского университета выяснили, что вещество на основе сульфида висмута помогает обойти одну из ключевых проблем солнечной энергетики. Суть ограничения в том, что материалы с высокой способностью поглощать свет обычно теряют электрический заряд слишком стремительно, из-за чего выработка энергии оказывается малоэффективной. У найденного полупроводника особая внутренняя энергетическая структура, работающая как временное хранилище. Он сохраняет захваченную энергию дольше и при комнатной температуре уменьшает потери заряда примерно на 75%.
«Разработка эффективных материалов для солнечной энергетики давно упирается в то, что свойства, обеспечивающие хорошее поглощение света, одновременно ведут к быстрому исчезновению возникающих зарядов. Наша работа демонстрирует, что этот компромисс не обязателен», — отмечает профессор Лаура Херц, автор исследования из Оксфордского университета.
Ключевая технология
Солнечные панели вырабатывают энергию, улавливая свободные электроны прежде, чем они рекомбинируют с положительно заряженными дырками и рассеивают энергию в виде тепла. Материалы, рассчитанные на максимальное поглощение света, естественным образом формируют среду с высокой концентрацией зарядов, где столкновения происходят почти мгновенно. Столь быстрая рекомбинация понижает эффективность стандартных светособирающих полупроводников.
Полупроводники на основе сульфида висмута способны справиться с этой задачей. Оксфордская команда применила сверхбыструю терагерцовую спектроскопию с лазерными импульсами длительностью доли секунды. Метод позволил изучить тонкие пленки материала. Полученные результаты оказались неожиданными: сульфид висмута имеет редкое квантовое строение, известное как псевдонепрямое полупроводниковое соединение.
Световая энергия поступает через основной высокоэнергетический канал с интенсивным поглощением. Прямо под этим входом расположено состояние с меньшей энергией, которое захватывает возбужденные заряды. Это вторичное состояние играет роль временного накопителя и надежно удерживает заряды перед их рассеиванием. Указанный путь слабо рассеивает заряды, поэтому электроны могут спокойно оставаться в «хранилище» до момента сбора. При комнатной температуре такая микроскопическая «комната ожидания» сокращает потери заряда на 75% в сравнении с обычными материалами.
«Поняв, как необычная электронная структура сочетает сильное поглощение света с заметно более медленной рекомбинацией, мы открыли новый принцип проектирования полупроводников, который поможет эффективнее использовать солнечную энергию», — добавила Херц.
Нетоксичный сульфид висмута
Материал пока не годится для применения в качестве кровельного покрытия. Оксфордская команда подчеркнула, что исследование подтверждает существование фундаментального физического механизма, а не представляет коммерческий продукт. Однако главное — знание о том, что такой электронный «черный ход» существует. Теперь ученые могут просматривать базы данных материалов и создавать собственные полупроводники с аналогичным «секретным ходом».
«Открытие особенно ценно тем, что мы не просто улучшаем свойства существующих полупроводников, а выявляем иной способ их функционирования, — сказала профессор Герц. — Понимание этого механизма дает ориентиры для поиска и, возможно, разработки других материалов с похожими преимуществами». Исследование опубликовано в журнале Nature 28 октября.
Научное значение работы определяется сменой парадигмы. Вместо постепенного улучшения известных материалов исследователи предлагают критерий поиска: наличие низкоэнергетического состояния, расположенного непосредственно под основным каналом поглощения и слабо взаимодействующего с состояниями рекомбинации.
Такой критерий можно формализовать и применить к базам данных кристаллических структур с помощью методов вычислительного материаловедения. Если прогностическая сила этого принципа подтвердится на нескольких независимых системах, можно ожидать появления нового класса полупроводников, спроектированных с учётом динамики зарядов, а не только их равновесных оптических свойств.
Это может привести к появлению не только солнечных панелей, но и более долговечных источников энергии для преобразования солнечного света в химическое топливо. Сульфид висмута выгоден с экологической и производственной точек зрения: он распространен на Земле и нетоксичен, служит альтернативой материалам со свинцом или кадмием. Исследователи могут эффективно получать такие тонкие пленки доступными методами, включая недорогую обработку в растворе, термическое испарение и осаждение из химической ванны.
Практическая реализация подобных материалов потребует решения ряда инженерных задач. Тонкие плёнки сульфида висмута должны сохранять требуемую кристаллическую структуру при масштабировании производства, а контакты и инкапсуляция не должны разрушать благоприятную электронную конфигурацию.
Кроме того, предстоит оценить долговременную стабильность материала под воздействием влаги, кислорода и ультрафиолета. Тем не менее нетоксичность и распространённость исходных компонентов дают этому направлению заметное преимущество перед технологиями на основе свинцовых перовскитов и кадмиевых соединений, где вопросы экологии и регулирования остаются серьёзным барьером.
Замена кремнию в фотовольтаике
Открытие оксфордской группы вписывается в более широкий контекст поиска материалов, способных преодолеть фундаментальные ограничения кремниевой фотовольтаики. Кремний, десятилетиями остающийся основой солнечной энергетики, обладает непрямой запрещённой зоной, что требует относительно толстых пластин для эффективного поглощения света и ограничивает теоретический предел эффективности преобразования.
Псевдопрямые полупроводники, к которым относится сульфид висмута, занимают промежуточное положение: они сочетают сильное оптическое поглощение, характерное для прямозонных материалов, с возможностью управлять временем жизни носителей заряда.
Именно эта комбинация свойств долгое время считалась маловероятной, поскольку высокая плотность состояний, обеспечивающая поглощение, обычно ускоряет и обратный процесс — рекомбинацию.
Результаты, полученные методом терагерцовой спектроскопии, важны не только для фотовольтаики. Понимание механизмов удержания зарядов в промежуточном энергетическом состоянии открывает перспективы для фотокатализа, сенсорики и оптоэлектронных устройств, где критично разделение носителей заряда до их рекомбинации.
Сульфид висмута известен химикам давно, однако его электронная структура до сих пор не рассматривалась как платформа для инженерии времени жизни зарядов. Оксфордская работа переводит этот материал из разряда рядовых полупроводников в категорию модельных систем для проверки новых теоретических представлений о динамике возбуждений.
Отдельного внимания заслуживает методологическая сторона исследования. Сверхбыстрая терагерцовая спектроскопия позволяет наблюдать движение зарядов на временных масштабах от фемтосекунд до наносекунд, фиксируя процессы, недоступные для стационарных измерений.
Именно такие эксперименты дают возможность отличить истинное удержание зарядов от артефактов, связанных с ловушками на дефектах или границах зёрен.
Воспроизводимость результатов на тонких плёнках, полученных разными способами, станет следующим важным шагом, который определит, насколько универсален обнаруженный эффект и можно ли его перенести на другие химические системы.
