Простой синтез компонентов для солнечных батарей

Для того чтобы добиться максимально возможной эффективности при превращении солнечного света в электрическую энергию, ученым необходимо решить одну из главных задач - предотвратить рекомбинацию свободных зарядов, образующихся при взаимодействии электромагнитного излучения с солнечной батареей.

Один из возможных вариантов решения этой проблемы – создать в солнечной батарее гетеропереход между полупроводниками, различающимися типом проводимости (электронной либо дырочной). Подобный тип гетероперехода позволит электронам и дыркам, которые образовались в ходе взаимодействия света с солнечной панелью, покинуть эту панель, двигаясь в противоположных направлениях сквозь границу раздела фаз гетероперехода.

Учеными из группы Минюн Хана (Mingyong Han) удалось разработать новый способ получения высококачественных наноразмерных гетеропереходов, что будет способствовать дальнейшему поиску решений по повышению эффективности гальванических элементов.

Мельчайшие кристаллы полупроводника обеспечивают высокую площадь поверхности для поглощения солнечного света, производить их можно с меньшими финансовыми затратами, чем обычные солнечные батареи с помощью литографических методов. Но для подобных структур довольно сложно получить высококачественный гетеропереход между n- и p-типами полупроводника, в идеальном варианте такой переход должен обеспечивать максимальный контакт между двумя типами полупроводников.

Ученые пришли к выводу, что образование гетероперехода должно быть осуществлено химическим путем. На первом этапе исследователи применяли смесь поверхностно-активных веществ, получив тем самым сульфид смешанновалентной меди (CuxS), который является известным полупроводником p-типа. Он обладает правильными формами – четкие однородные шестиугольные пластины около 40 нанометров шириной и около 15 толщиной, что позволило использовать его в качестве центра нуклеации на внешних гранях шестиугольников сульфида кадмия (CdS) – типичного полупроводника n-типа.

На следующем этапе с помощью процесса катионного обмена ученые добились того, что кристаллы n-полупроводника росли «внутрь», вследствии 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 преобразовать шестиугольную нанопластину в идеально симметричный гетеропереход (на изображении).

Хан убежден, что гетероструктура CuxS–CdS может быть применена в изготовлении солнечных батарей благодаря наличию доступной для солнечного света поверхности и энергетической зоны, которая позволяет добиться разделения заряда. Ученые полагают, что новая методика one-pot окажется полезной для синтеза и других полупроводниковых пар.

(На изображении - двухкомпонентная шестиугольная нанопластина, полученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии показывает распределение кадмия (синий участок) и меди (красный))