Naujos rūšies Saulės elementas — kvantinis bendraašis kabelis

Anksčiau buvo teoriškai numatyta, kad kamieną ir sluoksnį sudarančių nanolaidų grupė galėtų būti potenciali struktūra, kuri sugertų platų saulės šviesos bangų spektrą, o sudaryta būtų iš chemiškai stabilesnių didelės draustinės juostos neorganinių medžiagų. Priimta, kad didelės draustinės juostos puslaidininkiai nėra labai efektyvūs sugeriant daugelį saulės spinduliavimo bangų ilgių. Pavyzdžiui, didelės draustinės juostos cinko oksidas yra laidus matomai šviesai, bet sugeria ultravioletinius spindulius. Todėl ši medžiaga plačiai naudojama saulės ekranams, bet nebuvo svarstoma apie jos panaudojimą saulės elementams.

Mokslininkų grupė iš Kinijos (Xiamen universiteto) ir JAV (Šiaurės Karolinos universiteto, įsikūrusio Charlotte) padengė cinko oksido nanolaidus cinko selenidu ir gavo medžiagos struktūrą, žinomą kaip II rūšies įvairiatarpę sandūrą, kuri turi žymiai mažesnį draustinės juostos tarpą nei struktūrą sudarančios medžiagos. Mokslininkai savo darbe skelbia, kad struktūrą sudarantys nanolaidai gali sugerti šviesą iš matomos ir infraraudonosios bangų ilgių srities. Tyrimas pademonstravo, kad didelės draustinės juostos medžiagos gali būti sėkmingai naudojamos naujos rūšies nebrangių ir ilgaamžių saulės elementų kūrimui.

„Didelės draustinės juostos puslaidininkiai yra chemiškai stabilesni, – pasakė vienas grupės narių profesorius Jongas Žangas (Yong Zhang). – Šios nanolaidų struktūros gali būti pagamintos naudojant labai pigias technologijas – cheminį užgarinimą. Palyginimui, saulės elementuose, kuriuose naudojamas silicis ir galio arsenidas, taikomos daug brangesnės gamybos technologijos“.

Ankstesniuose bandymuose saulės šviesai sugerti pritaikytos didelės draustinės juostos medžiagos nebuvo puslaidininkinės medžiagos. Tam panaudodavo organines molekules, kurios atlikdavo fotoabsorbciją ir paprasčiausiai perduodavo elektronus puslaidininkinei medžiagai. Tuo tarpu grupės sukurti įvairiatarpės sandūros nanolaidai tiesiogiai sugeria šviesą ir efektyviai perduoda srovę per nano matmenų bendraašį laidą, kuris atskiria elektronus ir skylutes. Sužadinti elektronai patalpinami į cinko oksido kamieną, o skylutės į cinko selenido sluoksnį.

„Sukurdami ypatingą įvairiatarpės sandūros nanomastelio architektūrą, mes sukūrėme ir bendraašį laidą, kuris gerai praleidžia srovę, – pasakė Žangas. – Net jei jūs ir sugebate gauti gerą šviesos sugertį ir galite sukurti elektronų ir skylučių poras, jums vis tiek reikia krūvininkus ištraukti ir įjungti į srovę. Todėl yra reikalingas geras laidumas. Šie bendraašiai laidai yra panašūs į bendraašius laidus, naudojamus elektros inžinerijoje. Iš principo, mes turime du laidumo kanalus – elektronai juda viena kryptimi kamiene, o skylutės juda kita kryptimi sluoksnyje“.

Nanolaidai buvo sukurti auginant eilę cinko oksido kristalo laidų, naudojant garų nusėdinimą. Metodas leido gauti visą mišką adatos formos cinko oksido kristalų su maždaug vienodu diametru (nuo keturiasdešimties iki aštuoniasdešimties nanometrų) išilgai nanolaido ilgio (apie 1,4 mikrometro). Tada cinko selenido sluoksniu padengė visą laidą. Galiausiai, indžio alavo oksido plėvelė buvo prijungta prie cinko selenido sluoksnio, o indžio zondas prijungtas prie cinko oksido plėvelės. Tokiu būdu buvo sukurti kontaktai srovei, gautai elemente.

„Mes išmatavome įrenginį ir išmatavome, kad fotoatsako slenkstis lygus 1,6 eV“, – pasakė Žangas, pabrėždamas, kad elementas tokiu būdu buvo efektyvus sugeriant šviesos bangas, kurių bangų ilgiai kinta nuo ultravioletinių iki infraraudonųjų spindulių bangų ilgių. Bangų ilgių sritis atitinka saulės spinduliavimą, pasiekiantį žemės paviršių.

„Čia veikia visiškai naujas mechanizmas, nes anksčiau šios medžiagos net teoriškai nebuvo nagrinėtos. Nemanyta, kad jos gali būti tinkamos saulės elementams“, – pasakė Žangas. Jis pažymėjo, kad idėjos pritaikomumas nesibaigia šiuo atveju. Idėja atveria duris kitoms didelės draustinės juostos puslaidininkinėms medžiagoms. Naujos medžiagos gali būti panaudotos kuriant įvairius saulės energijos įrenginius. Gauti rezultatai gali būti pritaikyti net vandenilio generavimui, taikant fotoelektrocheminį vandens skaldymą.

„II rūšies įvairiatarpės sandūros panaudojimas gali būti pritaikytas ir kituose įrenginiuose. Pavyzdžiui, fotojutikliuose, ypač infraraudonųjų spindulių jutikliuose“, – pasakė Žangas.