Сегодня, когда в мире сокращаются запасы источников углеводородного топлива и все больше растет обеспокоенность общественности относительно экологии, ученые уделяют пристальное внимание развитию так называемых «зеленых технологий». Одной из самых популярных тем является развитие солнечной энергетики.

«Углеводороды как традиционный источник энергии иссякают, их сжигание приводит к выработке углекислого газа, — рассказывает научный сотрудник Университета ИТМО, заведующий лабораторией Академического университета Иван Мухин. — В то же время Солнце является практически неиссякаемым источником энергии для нашей планеты. По оценкам коллег, всего одного процента от количества солнечной энергии, падающей на Землю каждый день, хватило бы, чтобы обеспечить нас с вами электричеством на целый год. Именно поэтому солнечная энергетика в будущем имеет шансы заместить традиционные отрасли энергетики, основанные на сжигании ископаемого топлива».

Однако более широкому использованию солнечных батарей препятствует ряд проблем. Ставшие традиционными кремниевые солнечные батареи имеют сравнительно небольшую эффективность — около 20-25%. Более эффективные технологии, основанные на многокаскадных гетероструктурах, требуют использования заметно более сложных соединений, а также развитых методов их синтеза с высоким кристаллическим совершенством, что значительно повышает цену самих солнечных элементов.

«Самые распространенные технологии солнечных элементов основаны на кремнии, — продолжает Иван Мухин. — Это относительно дешевый материал, и его материальные запасы значительны. Проблема в том, что кремний является непрямозонным полупроводником и довольно плохо поглощает свет, что вносит ограничения на его применение в качестве базы для создания эффективных солнечных элементов. Существуют другие полупроводниковые материалы, такие как полупроводниковые соединения А3B5, состоящие из элементов третьей и пятой групп таблицы Менделеева. Они существенно лучше поглощают свет, но стоят на порядки дороже кремния, что значительно удорожает создание самих солнечных батарей на их основе. В результате, несмотря на то что КПД такой солнечной батареи выше, производить ее не очень выгодно, так как издержки очень высокие».

Союз А3В5 и кремния

Петербургские ученые предложили возможное решение данной проблемы. Исследователи из Университета ИТМО, Академического Университета и Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе показали, что A3B5 гетероструктуры можно вырастить на дешевой кремниевой подложке, что позволит существенно сократить стоимость самой батареи.

«Наша работа посвящена созданию эффективных солнечных элементов на основе А3В5 на кремниевой подложке, — рассказывает Иван Мухин, являющийся соавтором исследования. — Главная сложность синтеза полупроводниковых соединений на кремниевой подложке состоит в том, что полупроводник должен обладать таким же параметром кристаллический решетки, как у кремния. Грубо говоря, атомы этого материала должны находиться на таком же расстоянии друг от друга, что и атомы кремния. К сожалению, полупроводников, отвечающих этому требованию, немного. К примеру, фосфид галлия (GaP). Однако он сам не очень подходит для создания солнечных элементов, так как плохо поглощает солнечный свет. Но вот если взять GaP и добавить азот N, мы получим раствор GaPN. Уже при малых концентрациях N данный материал становится прямозонным и хорошо поглощает свет, при этом может быть интегрирован на кремниевую подложку. При этом кремний является не просто фундаментом, на который синтезируется фотоматериал, кремний сам может выступать одним из фотоактивных слоев солнечного элемента, поглощающим свет в ИК-диапазоне. Одним из первых идею совмещения A3B5 структур и кремния озвучил Жорес Иванович Алферов».

В лаборатории ученым удалось синтезировать верхний слой солнечной батареи, интегрированный на кремниевую подложку. Если подобных фотоактивных слоев будет несколько, то и эффективность солнечной батареи станет существенно выше, так как каждый слой солнечной батареи будет эффективно поглощать  свою часть солнечного спектра.

«Мы в лаборатории еще не создали итоговый многокаскадный солнечный элемент, но вместе с коллегами сделали большой шаг вперед по интеграции А3В5 на кремнии для фотовольтаических приложений, — добавляет Мухин. — При этом для роста структуры использовались довольно сложные методы молекулярно-пучковой эпитаксии. Это метод синтеза тонких слоев полупроводника высокого кристаллического совершенства на подложках».

Перспективы

Пока в лаборатории был создан первый небольшой прототип солнечной батареи на основе элементов А3В5 на кремниевой подложке. Сейчас перед учеными стоит задача создать солнечный элемент, имеющий в своем составе несколько фотоактивных слоев. Такие солнечные батареи заметно эффективнее поглощают солнечный свет и генерируют электрическую энергию.

«Мы научились растить самый верхний слой. Эта система материалов потенциально может быть использована и для промежуточных слоев. Если добавить мышьяк As, то получится GaPNAs — из него на кремниевой подложке можно вырастить несколько каскадов, работающих в разных частях солнечного спектра. Как показали наши предыдущие работы, потенциально эффективность таких солнечных батарей может превышать 40% при концентрации света, то есть быть в 1,5 раза выше, нежели в современных Si технологиях», — отмечает Иван Мухин.

Статья: Liliia N.Dvoretckaia, Alexey D.Bolshakov, Alexey M.Mozharov, Maxim S.Sobolev, Demid A.Kirilenko, Artem I.Baranov, Vladimir Mikhailovskii, Vladimir V.Neplokh, Ivan A.Morozov, Vladimir V.Fedorov, Ivan S.Mukhin,«GaNP-based photovoltaic device integrated on Si substrate», Solar Energy Materials and Solar Cells, 2020