Похоже, что Солнце, как источник всей жизни на Земле, лет через 30–50 станет и основным источником электричества для землян. Американцы, гораздые на всякие инициативы (вспомним хотя бы СОИ), и здесь впереди планеты всей. В январе 2008 года в журнале «Scientific American» опубликован грандиозный солнечный план для США [1].

Зная солнечную постоянную (~1 кВт/м²) и радиус Земли (~ 6000 км), легко подсчитать, что всего за 40 минут Солнце выдаёт Земле столько энергии, сколько всё человечество потребляет сегодня за год. А на юго-западе США имеется 250000 квадратных миль пустынных земель, где почти круглый год тепло и светло. Если только 10% этой площади покрыть солнечными панелями с кпд 25%, то американцам будут не нужны ни арабская нефть, ни российский газ, ни собственный уголь, ни даже атомные электростанции. Причём абсолютно чистое «солнечное» электричество будет стоить им не больше, чем нынешнее мазутно-газо-угольное (~ 15–17 центов за киловатт-час). В статье подробно описано, что надо сделать правительству США, чтобы достичь поставленной цели к середине текущего века, т.е., как надо правильно потратить полтриллиона долларов. Подсказано даже, как почти незаметно можно изъять эти полтриллиона из толстых кошельков бедных американцев. Насколько известно автору, в «великой энергетической державе» России, никаких таких планов никто не строит. И не потому, что не надо. Может быть, потому, что нет такой большой солнечной территории? Или потому, что сибирской нефти, газа и угля на наш век хватит?

Немецкий прогноз развития первичных источников энергии в 21 веке приведён на Рис.1.

Рис. 1. Прогноз эволюции основных источников энергии для человечества в 21 веке [2]

Как и в любом супер-перспективном и супер-доходном деле, без волшебной приставки «нано» и в солнечной энергетике не обходится [3]. В данной заметке мы не будем касаться фотоэлектрохимических преобразователей солнечной энергии, в которых нанопорошки или наногубки из TiO₂ (или ZnO, или SnO₂) играют ключевую роль (наряду с красителями, которые, собственно, и «усваивают» солнечные фотоны, см. Рис. 2) и которые может смоделировать каждый прямо на собственной кухне [5], а поговорим о полупроводниковых нанопроволоках (точнее, коаксиальных p-n нанокабелях), которые – в перспективе – обещают превзойти нынешние плоскопараллельные довольно массивные и достаточно дорогие солнечные элементы почти по всем параметрам.

Рис. 2. Структура фотоэлектрохимического солнечного элемента [4]. Свет поглощают молекулы специально подобранного красителя, адсорбированные на поверхности нано-анатазного TiO₂. Фоторождённые электроны переходят с молекул красителя в зону проводимости диоксида титана и с трудом и многочисленными жертвами, но добираются до проводящей стекляшки-подложки. Потерю заряда компенсирует электролит, так что цепь замкнута и солнечный свет превращается в электричество с кпд 5–8%

В отличие от Остапа Бендера, у физиков есть только два способа сделать нанопроволоку: а) вырастить и б) вытравить. Но, конечно, надо понимать, что и у способа а), и у способа б) существует куча разновидностей. О том, как растят нанопроволоки в Гарвардском университете (Кэмбридж, США), можно прочитать в [6]. А про великое разнообразие гарвардских изделий из нанопроволок – в [7–9]. Для того, чтобы представить, о каком массиве информации идёт речь, полезно взглянуть на Рис. 3, который показывает количество журнальных публикаций за 1994–2007 годы по углеродным нанотрубкам и всем прочим нанопроволокам. Показано также, кто вносит наибольший вклад в этот девятый вал информации. Из 13% «прочих» на Россию приходится менее 2%.

Основная физическая идея использования микро- и нанопроволок для изготовления солнечных элементов (СЭ) состоит в том, чтобы расперпендикулярить два процесса: поглощение света (по оси проволоки) и разделение фоторождённых электронно-дырочных пар (по радиусу проволоки). А основной экономический «драйвер» этого подхода заключается в том, что полупроводниковые «усики» можно вырастить на чём угодно, включая стальную ленту – фольгу [11]. И фольга эта гораздо дешевле дефицитного кремния [12], который составляет основу нынешних солнечных элементов, и половина их стоимости приходится именно на него [13] .

Рис. 3. Распределение числа публикаций по углеродным нанотрубкам и другим нанопроволокам по годам (а) и странам (б) [10]

Основной механизм потерь в плоских солнечных элементах иллюстрирует Рис. 4, на котором показана электронно-дырочная пара, рождённая солнечным фотоном на расстоянии от p-n перехода, превышающем диффузионную длину электрона в р-базе (L_n)

Рис.4. Картина процесса в плоском солнечном элементе. Глубина поглощения света составляет порядка 1/α , где α – коэффициент поглощения (см^-1), а расстояние, которое может пробежать электрон, определяется его диффузионной длиной L_n. Справа показана энергетическая диаграмма р-п-перехода (n-область светлая, р-область серая)[14].

Указанный электрон не дойдёт до р-п-перехода и не даст вклада в фототок, т.е. солнечный фотон будет израсходован напрасно. Поэтому в солнечных элементах используются полупроводники, у которых диффузионная длина L_n порядка толщины всей р-области или даже превосходит её. А это непросто и, конечно, дорого, потому что материал должен быть весьма совершенным. Но дешёвое совершенство бывает только в сказках, а в реальной жизни для его достижения приходится изрядно попотеть. Снять проблему помогает радиальная организация р-п переходов, как показано на Рис. 5.

Рис.5. Структура солнечного элемента, состоящего из отрезков р-п микро- или нанокабелей [14]. Чёрным цветом изображена р-область, а серым – n. Прозрачный верхний электрод, через который поступает солнечный свет, образует омический контакт к n-области

Теперь электрону, рождённому солнечным светом в центральной жиле, надо пробежать совсем немного (порядка радиуса этой жилы, который может составлять всего-то 100–1000 нм), чтобы достичь р-п перхода и выполнить свою полезную функцию – превратить свет в электричество. Поэтому центральная жила может быть изготовлена из совсем плохого полупроводника с очень маленькой диффузионной длиной. А это исключительно важно, поскольку лучше всего кремниевые (и прочие полупроводниковые) нанопроволоки растут из капелек таких металлов, как золото, никель, железо, и все эти металлы, к сожалению, являются «убийцами» диффузионной длины в Si (и прочих полупроводниках).

Есть у нанопроволок и ещё одно важное преимущество. Солнечный свет не только поглощается в полупроводниках, но и не менее успешно отражается от них. И если не принимать специальных мер, то 25–35% солнечных фотонов просто отскочит от пластины кремния, например, вместо того, чтобы поглотиться. Поэтому все плоские солнечные элементы непременно снабжаются антиотражающими покрытиями во избежание таких потерь. А это – отдельная операция и, соответственно, добавка в цену. А вот в нанолесе из нанопроволок солнечный свет за счёт многократных переотражений совсем запутывается и потери на отражение сводятся к минимуму без всяких дополнительных усилий (см. Рис. 6).

Рис.6. Коэффициент отражения в зависимости от длины волны для полированного кремния (верхняя кривая), для «зачернённого» Si в растворе HF/HNO₃, (вторая сверху кривая) и для поликристаллического и монокристаллического кремния со слоем нанопроволок на поверхности (две нижних кривых) [15]

Конечно, в нанопроволочной гелиоэнергетике есть и свои шедевры. К таковым можно отнести работу , выполненную группой китайских аспирантов под руководством проф.Чарльза Либера из уже упоминавшегося Гарвардского университета США [16]. Они сумели сотворить p-i-n фотоэлемент из одной – единственной кремниевой нанопроволоки. Схема заготовки вместе с электронно-микроскопическими снимками приведена на Рис. 7.

Рис. 7. (а) Схема кремниевого коаксиального нанопроволочного p-i-n фотодиода, справа приведена фазовая диаграмма системы Si-Au, на основе которой методом пар-жидкость-кристалл была выращена центральная жила трёхслойного нанокабеля; (b-с) электронно-микроскопические снимки с разным увеличением, из которых видно, что монокристальной является только центральная жила. Верхний масштабный штрих на Рис. 7 (b) соответствует 1 мкм, нижний – 100 нм, а на Рис.7(с) – 5 нм [16]

Для превращения заготовки в работающий p-i-n фотодиод необходимо было «приконтачиться» по отдельности к р- и n-областям, что и было успешно осуществлено с помощью электронной литографии, селективного травления (см. Рис. 8) и неимоверной усидчивости китайских соискателей американских PhD. КПД уникального солнечного элемента составил 3,5±0,2% при засветке, эквивалентной одному Солнцу, 4,1±0,2% – при двух Солнцах и 4,5±0,3% – при пяти. Конечно, это довольно скромные цифры на фоне нынешнего мирового рекорда (40,7%), поставленного матёрыми трёхпереходными солнечными элементами в системе InGaP/InGaAs/Ge при концентрации в 240 Солнц [17]. Максимальная мощность достигала 200 пВт, чего вполне хватило для запитывания нанопроволочного-же сенсора, сделанного в той же группе по такой же технологии. В общем, наносенсорика приобрела и собственный солнечный наноисточник энергии. То ли ещё будет! И совсем недаром со страниц журнала «Physics Today» в июле с.г. прозвучал призыв – «подключись к Солнцу!», а его обложку украшало изображение солнечной панели [18].

. 8. Процесс изготовления нанопроволочного p-i-n фотодиода методами электронной литографии и селективного травления [16]: (а) схема, (b) изображение реального изделия в сканирующем электронном микроскопе. Масштабные штрихи (слева направо) 100 нм, 200 нм и 1,5 мкм, соответственно

Автор – С. Чикичев

Источники:

• 1. Scientific American, v.298, No1, pp. 64–71 (2008)
• 2. Fraunhofer Energy Roadmap (2007)
• 3. Proc.Third Internat. Forum on Strategic Techn. (IFOST-2008), Novosibirsk-Tomsk, pp. 165–166 (2008)
• 4. Science, v.315, pp. 798–801 (2007).
• 5. Physics Education, v.43, No 3, pp. 270–279 (2008).
• 6. ПерсТ, т.8, вып. 11, с.3–5 (2001).
• 7. ПерсТ, т.12, вып.15/16, с.1–3 (2005).
• 8. ПерсТ, т.12, вып.15/16, с.3–5 (2005).
• 9. ПерсТ, т.12, вып.15/16, с.5–7 (2005).
• 10. ACS Nano, v.2, No 7, pp.1329–1335 (2008).
• 11. Appl.Phys.Letters, v.91, paper 233117 (2007).
• 12. III-V Review, v.17, No 7, pp.40–42 (2004).
• 13. IEEE Trans. Electron Dev., v.46, No 10, pp.1948–1969 (1999).
• 14. J.Appl.Phys., v.97, p. 114302, (2005)
• 15. Small, v.1, No 11, pp.1062–1067 (2005).
• 16. Nature, v.449, pp.885–889 (2007).
• 17. Appl.Phys.Letters, v.90, p. 183516 (2007).
• 18. Physics Today, v.61, No 7, pp.42–47 (2008).