Karštųjų elektronų tyrimai gali lemti efektyvesnių saulės elementų sukūrimą

Mokslininkų darbas publikuotas šios savaitės prestižinio žurnalo „Science“ numeryje.

„Mes sujungiame nanomastelinių antenų optiką su puslaidininkių elektronika, – vaizdžiai pasakojimą pradeda tyrimams vadovavusi elektros ir kompiuterių inžinerijos profesorė Naomė Halas (Naomi Halas). – Nors nėra jokio praktinio būdo, leidžiančio tiesiogiai siliciu aptikti infraraudonąją šviesą, mums pavyko parodyti, jog tai įmanoma, kuomet puslaidininkis yra suporuojamas su nanoantena. Mes tikimės, kad ši technologija bus pritaikyta konstruojant naujus mokslinius instrumentus, skirtus infraraudonosios spinduliuotės detekcijai, bei didesnio našumo saulės elementus“.

Daugiau nei trečdalis saulės energijos, pasiekiančios Žemę, atkeliauja infraraudonosios spinduliuotės pavidalu. Tačiau silicis, naudojamas saulės šviesos pavertimui elektros energija didžiojoje daugumoje šiandienos saulės elementų, negali sugerti infraraudonosios spinduliuotės. Kiekvienas puslaidininkis, žinoma, įskaitant ir patį silicį, turi draustinės juostos tarpą, kurio mažesnio už tam tikrą dažnį šviesa negali įveikti, todėl praeina pro medžiagą nesukurdama elektros srovės. Prie silicio primontuodami metalinę nanoanteną, specialiai sureguliuotą infraraudonajai spinduliuotei, Raiso universiteto mokslininkų komanda parodė, kad elektros generavimui šviesos dažnį įmanoma praplėsti taip, kad šis apimtų infraraudonąją sritį. Kuomet infraraudonoji spinduliuotė pataiko į anteną, sukuriamas plazmonas – tam tikra energijos banga, nuvilnijanti laisvųjų antenos elektronų jūra. Plazmonų tyrimai yra viena iš N. Halas specializacijų, tad naujojo darbo pagrindą sudaro plazmonų nagrinėjamas, pradėtas jos laboratorijoje prieš metus.

Yra žinoma, jog plazmonai slopsta ir savo energiją atiduoda dviem būdais: arba išspinduliuojamas šviesos fotonas arba šviesos energija paverčiama šiluma. Šiluminis procesas prasideda, kai plazmonas savo energiją perduoda pavieniui „karštajam“ elektronui. Pagrindinis straipsnio autorius Markas Naitas (Mark Knight) su N. Halas bei kitais kolegomis iš Raiso universiteto sugalvojo, kaip būtų galima tiesiogiai eksperimentiškai aptikti karštuosius elektronus, susidarančius slopstant plazmonui.

Tiesiogiai sujungdamas metalinę nanoanteną su puslaidininkiu, kad sukurtų Šotkio barjerą, M. Naitas parodė, jog infraraudonoji spinduliuotė, veikdama anteną, virs karštuoju elektronu, kuris gali peršokti barjerą, taip sukurdamas elektros srovę. Šis metodas tinka infraraudonajai spinduliuotei, kuri įprastiniu atveju tiesiog praeitų kiaurai pro įrenginį.

„Nanoantenų diodai, kuriuos mes sukūrėme plazmonų generuojamų karštųjų elektronų aptikimui, jau dabar visai neblogai veikia surinkdami infraraudonąją spinduliuotę ir tiesiogiai paversdami ją elektros srove, – džiaugiasi tyrėjas. – Mes nekantraujame išsiaiškinti, ar šis metodas realiai padidins saulės elementų efektyvumą“.