Солнечная энергетика » Научные разработки

Изображение двухкомпонентной шестиугольной нанопластины, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии показывает распределение кадмия (синий участок) и меди (красный) (изображение: J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (7), 2052)

Одна из главных задач, которую решают инженеры, стремящиеся добиться максимальной эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую – предотвращение рекомбинации свободных зарядов, образующихся при взаимодействии электромагнитного излучения с солнечной батареей.

Один из способов решения этой задачи – создание в солнечной батарее гетероперехода между полупроводниками, различающимися типом проводимости (электронной или дырочной). Такой тип гетероперехода позволяет электронам и дыркам, образовавшимся в результате взаимодействия света с солнечной панелью, покидать солнечную батарею, двигаясь в противоположных направлениях через границу раздела фаз гетероперехода.

В группе Минюн Хана (Mingyong Han) разработан новый способ получения высококачественных наноразмерных гетеропереходов, что в будущем позволит разработать более эффективные фотогальванические устройства.

Наноразмерные кристаллы полупроводника обеспечивают повышенную площадь поверхности для поглощения света, их производство обходится дешевле, чем обычное производство солнечных батарей с помощью литографических методов. Однако для таких структур очень сложно получить высококачественный гетеропереход между n- и p-типами полупроводника, такой переход в идеале должен обеспечивать максимальный контакт между двумя типами полупроводников.

Исследователи пришли к выводу, что образование гетероперехода должно осуществляться химическим путем. Ранее уже были получены бинарные сферические нанокристаллы, построенные по принципу ядро-оболочка, однако, к сожалению, гетеропереход таких нанокристаллов характеризуется низким коэффициентом полезного действия, поскольку свет с трудом проникает к ядру системы. Хан с соавторами решил преодолеть проблему, избрав другой метод синтеза нанокомпозита.

На первом этапе исследователи использовали смесь поверхностно-активных веществ, получив с ее помощью сульфид смешанновалентной меди (CuxS), хорошо известный полупроводник p-типа, в форме четких однородных шестиугольных пластин шириной около 40 нанометров и толщиной около 15 нанометров. Правильная форма частиц из сульфида меди позволила использовать их в качестве центров нуклеации на внешних гранях шестиугольников сульфида кадмия (CdS) – типичного полупроводника n-типа.

На следующем этапе с помощью процесса катионного обмена исследователи добились того, что кристаллы n-полупроводника росли «внутрь», в результате чего часть CuxS превращались в CdS. Хан утверждает, что образующиеся в результате катионного обмена нано-гетероструктуры сохраняли морфологию исходного материала. Оптимизация условий реакции позволила исследователям превратить шестиугольную нанопластину в идеально симметричный гетеропереход.

Хан уверен, что гетероструктура CuxS–CdS может применяться в изготовлении солнечных батарей благодаря наличию доступной для света поверхности и энергетической зоны, позволяющей добиться разделения заряда. Исследователи полагают, что новая методика one-pot окажется полезной для синтеза и других полупроводниковых пар.

ChemPort.Ru со ссылкой на J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (7), 2052; DOI: 10.1021/ja1090589