Как сообщает A. Braun, старший редактор Semiconductor International [1], исследовательская группа Гарвардского университета (Harvard University, Cambridge, Массачусеттс, США), возглавляемая проф. Чарльзом Либером (Charles Lieber) разработала коаксиальные кремниевые нанопроволочки (толщиной ~300 нм), на основе которых можно изготовить фотовольтаические (ФВ) элементы для питания небольших микросхем и наноустройств.

Экспериментальные ФВ элементы показали 3,5% эффективность преобразования солнечного излучения в электроток, которую можно рассматривать как адекватную для экспериментального устройства подобного рода. Достигнутая плотность тока ~24 мА/см² (лучше, чем у органических ФВ элементов), а генерируемая электроэнергия ~200 пВт (в отдельных случаях до 1 нВт). Авторы считают, что эти показатели можно удвоить параллельным или последовательным соединением двух элементов.

Аналогично кремниевому трехслойному коаксиальному кабелю, нанопроволочный ФВ элемент состоит из положительно заряженного внутреннего сердечника, тонкой нейтральной промежуточной оболочки и отрицательно заряженной внешней оболочки (см. схематический рис.). Все три слоя изготовлены из кремния, легированного различными примесями с различной концентрацией. Либер сказал, что в то время, как p-i-n структура является традиционной для плоских ФВ элементов, в коаксиальном варианте она изготовлена впервые.

Один конец нанопроволочного ФВ элемента травится таким образом, чтобы можно было сделать контакт с внутренним сердечником; второй контакт делается к внешней оболочке

Задача, которую ставили перед собой авторы – найти способ более эффективного сбора зарядов в сравнении с традиционной для ФВ планарной геометрией. В коаксиальной геометрии длина, которую должны пройти электроны, короче, что обеспечивает более высокую эффективность сбора.

Схема изготовления включает следующие этапы: сначала выращивают нанопроволочный сердечник из монокристаллического кремния p-типа, используя в качестве затравки металлический нанокластер и процесс типа «пар-жидкость-твердое тело»; диаметр нанопроволочки определяется размером металлической частицы-катализатора; затем последовательно осаждают слой собственного кремния и верхний слой n-кремния. Нанопроволочки вырастают на подложке случайным образом, поэтому можно использовать любые подложки, включая стекло. Затем подложку опускают в этанол и встяхивают с использованием УЗ, чтобы нанопроволочки “сбросить” в раствор, откуда их переносят на чип, на котором собирают ФВ элемент. Чтобы сделать контакт к внутреннему p-сердечнику и к n-оболочке используют элетронно-лучевую литографию и травление.

Изготовленный прибор достаточно надежен, прибор испытывался в лаборатории в течение года без заметной деградации характеристик. Он также демонстрирует стабильное поведение под действием солнечного излучения.

Авторы ставят задачу повысить эффективность преобразования элемента до 10% или более. Преполагаемая область применения – питание биосенсоров и небольших логических вентилей. Можно интегрировать такие элементы, создавая матрицы.

С.Т.К.