Pęd optyczny przekształca czysty krzem z półprzewodnika o pośredniej przerwie wzbronionej w półprzewodnik o bezpośredniej przerwie wzbronionej

Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine pokazują, że właściwości optyczne materiałów można radykalnie poprawić — nie zmieniając same materiały, ale nadając światłu nowe właściwości.

Naukowcy wykazali, że manipulując pędem przychodzących fotonów, mogą radykalnie zmienić sposób interakcji światła z materią. Niezwykłym tego przykładem jest to, że właściwości optyczne czystego krzemu, powszechnie stosowanego podstawowego półprzewodnika, można zwiększyć czterokrotnie.

Ten przełom niesie ze sobą ogromne nadzieje w zakresie transformacji konwersji energii słonecznej i optoelektroniki na dużą skalę. Studiujeukazało się na okładce wrześniowego numeru „ ACS NanoBadanie przeprowadzono we współpracy z Kazańskim Uniwersytetem Federalnym i Uniwersytetem w Tel Awiwie.

„W tym badaniu kwestionujemy tradycyjne przekonanie, że o interakcjach światła z materią decyduje wyłącznie materia” – powiedział Dmitry Fishman, główny autor i adiunkt chemii. „Nadając światłu nowe właściwości, możemy zasadniczo zmienić sposób, w jaki oddziałuje ono z materią.

„W rezultacie istniejące lub niedoceniane optycznie materiały mogą osiągnąć możliwości, o których nigdy nie myśleliśmy, że są możliwe. To jak machanie magiczną różdżką — zamiast projektować nowe materiały, ulepszamy właściwości istniejących materiałów, po prostu modyfikując wpadające światło”.

„To zjawisko fotoniczne wynika bezpośrednio z zasady nieoznaczoności Heisenberga” – powiedział Eric Bothma, współautor i profesor chemii. „Kiedy światło ogranicza się do skal mniejszych niż kilka nanometrów, jego rozkład pędu zwiększa się. Wzrost pędu jest bardzo duży. przekracza nawet pęd fotonów w przestrzeni.” „Swoboda jest tysiąckrotnie większa, co czyni ją porównywalną z pędem elektronu w materiałach”.

Ara Abkarian, wybitny profesor chemii, rozwinął to zjawisko, mówiąc: „Zjawisko to radykalnie zmienia sposób, w jaki światło oddziałuje z materią. Tradycyjnie podręczniki uczyły nas o pionowych przejściach fotonicznych, podczas których materia pochłania światło, a jedynie foton zmienia stan energetyczny. elektron.

„Jednak fotony o zwiększonym pędzie są w stanie zmienić zarówno stan energetyczny, jak i pęd elektronów, otwierając nowe ścieżki przejść, o których nigdy wcześniej nie myśleliśmy. Metaforycznie możemy „przechylić podręcznik”, ponieważ fotony umożliwiają przejścia ukośne ma ogromny wpływ na zdolność materiału do pochłaniania lub emitowania światła.

„Weźmy na przykład krzem, drugi najpowszechniej występujący pierwiastek w skorupie ziemskiej i kręgosłup współczesnej elektroniki” – kontynuował Fishman. „Pomimo jego powszechnego stosowania, krzem słabo pochłania światło, co od dawna ogranicza jego skuteczność w urządzeniach takich jak panele. „Słoneczny.

„Dzieje się tak, ponieważ krzem jest półprzewodnikiem pośrednim, to znaczy opiera się na fononach (drganiach sieci), aby umożliwić przejścia elektronowe. Fizyka absorpcji światła w krzemie polega na tym, że foton zmienia stan energetyczny elektronu, a fonon zmienia się jednocześnie potrzebne do zmiany stanu pędu elektronu.

„Ponieważ prawdopodobieństwo interakcji fotonu, fononu i elektronu w tej samej przestrzeni i czasie jest niskie, właściwości optyczne krzemu są z natury słabe. Stanowi to główne wyzwanie dla optoelektroniki, a nawet spowalnia postęp w technologii słonecznej. „

Bothma podkreśliła: „Wraz z narastającymi skutkami zmian klimatycznych przejście z paliw kopalnych na energię odnawialną stało się bardziej konieczne niż kiedykolwiek. Energia słoneczna jest kluczem do tego przejścia, ale komercyjne ogniwa słoneczne, na których polegamy, nie są do tego wystarczające zamiar.”

„Słaba zdolność silikonu do pochłaniania światła oznacza, że ​​ogniwa te wymagają grubych warstw – około 200 mikrometrów czystego materiału krystalicznego – aby skutecznie wychwytywać światło słoneczne. Prowadzi to nie tylko do wyższych kosztów produkcji, ale także ogranicza wydajność ze względu na zwiększoną rekombinację nośników”.

„Za rozwiązanie obu wyzwań powszechnie uważa się cienkowarstwowe ogniwa słoneczne, chociaż alternatywne materiały, takie jak półprzewodniki z pasmem wzbronionym, sprawdziły się w przypadku cienkowarstwowych ogniw słonecznych o wydajności przekraczającej 20%, materiały te często ulegają szybkiej degradacji lub są dostarczane z nimi. drogie. Wysoka produkcja, przez co jest to obecnie niepraktyczne.

„Kierując się obietnicami, jakie daje fotowoltaika na bazie cienkiego krzemu, badacze od ponad czterdziestu lat szukają sposobów na poprawę absorpcji światła w krzemie” – dodał Abkarian. „Jednak prawdziwy przełom pozostaje nieuchwytny”.

„Nasze podejście stanowi radykalnie inny krok naprzód” – kontynuował Fishman. „Umożliwiając przejścia ukośne fotonów o zwiększonym pędzie, skutecznie przekształcamy czysty krzem z pośredniego półprzewodnika o pasmie wzbronionym w półprzewodnik o bezpośrednim pasmie wzbronionym – bez zmiany materiału”. dramatyczny wzrost zdolności krzemu do pochłaniania światła o kilka rzędów wielkości.

„Oznacza to, że możemy zmniejszyć grubość warstw krzemu o ten sam współczynnik, otwierając drzwi dla ultracienkich urządzeń i ogniw słonecznych, które mogą przewyższać istniejące technologie za ułamek kosztów, a co więcej, ponieważ zjawisko to nie wymaga żadnych zmian materiału, podejście to można zintegrować z obecnymi technikami produkcyjnymi z niewielkimi modyfikacjami lub bez nich.

„Dopiero zaczęliśmy badać szeroki zakres zjawisk związanych z wychwytywaniem światła w nanoskali i poza nią” – podsumował Abkarian. „Zaangażowana fizyka jest bogata w potencjał odkryć podstawowych i stosowanych, jednak bezpośredni wpływ jest już jasny”.

„Bezpośrednia konwersja krzemu w półprzewodnik pasma wzbronionego poprzez zwiększenie pędu fotonów może zrewolucjonizować konwersję energii i optoelektronikę”.

Współautorami tego badania byli Giovanni Mirham, chemik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, badacze Sergey Kharentsev, Alexei Noskov i Elena Batalova z Kazańskiego Uniwersytetu Federalnego oraz badacze Liat Katrevas i Alexander Kotlyar z Uniwersytetu w Tel Awiwie.