Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) экспериментально подтвердили тот факт, что в тех случаях, когда фотон образует несколько электронов, умножение носителей является совершенно реальным эффектом для некоторых типов полупроводниковых кристаллов, что ставит такие кристаллы в совершенно особое положение в исследованиях материалов для фотоэлементов солнечных батарей.

Как известно, при поглощении падающего фотона материалом обычной солнечной батареи один электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, а избыточная энергия кванта света передается атомам кристаллической решетки. С увеличением числа высвобождаемых электронов в пересчете на один фотон (умножением носителей заряда) КПД солнечной батареи, очевидно, возрастает.

Активные поиски материалов, демонстрирующих эффект умножения носителей, увенчались успехом: в 2004 году Ричард Шаллер (Richard Schaller) и Виктор Климов (Victor Klimov) из Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory) сообщили об экспериментальном наблюдении указанного явления в кристаллах селенида свинца нанометровых размеров (при поглощении фотона создавались две элекронно-дырочные пары). В дальнейшем измерения ученых неоднократно воспроизводились различными исследовательскими группами. Тем не менее в последнее время результаты, полученные американскими учеными, многими ставились под сомнение: новые опытные данные зачастую расходились с выкладками Климова и Шаллера.

Задавшись целью объяснить эти несоответствия, ученые решили проанализировать возможные причины их появления: различия между образцами и технологиями детектирования, а также эффекты, способные «имитировать» процесс умножения носителей. Первые две причины были быстро исключены из рассмотрения как маловероятные: исследования нескольких кристаллов с помощью двух методик спектроскопии с временным разрешением показали прекрасную сходимость результатов.

Проверка третьего варианта – возникновения побочных эффектов – заняла значительно больше времени; максимальное внимание исследователи уделили процессу фотоионизации нанокристаллов. Исследователи предполагают, что при поглощении фотона нанокристаллом электрону может быть передана такая энергия, что он покинет пределы образца. В этом случае имеется положительно заряженный кристалл с одной дыркой. Попадание другого фотона приводит к образованию электронно-дырочной пары; в итоге получают две дырки и один электрон, а такое состояние может быть ошибочно принято за результат действия процесса умножения носителей заряда.

Для оценки влияния фотоионизации ученые провели сравнительное исследование растворов нанокристаллов, один из которых находился в покое, а другой активно перемешивали. Процесс перемешивания исключает возможность попадания второго фотона на заряженный кристалл (такие кристаллы просто уходят из той области образца, которая исследуется в данный момент и на которую воздействует излучение). Некоторые образцы показали идентичные результаты при разных условиях измерения, однако во многих случаях были отмечены значительные расхождения в оценке влияния умножения носителей. Поскольку большая часть предыдущих исследований проводилась без перемешивания раствора, ученые сделали вполне обоснованный вывод: противоречия в результатах экспериментов можно – пусть и не полностью – объяснить фотоионизацией кристаллов.

Результаты измерения эффективности умножения носителей при искусственном подавлении фотоионизации являются очень важным обстоятельством. Они показывают, что по КПД солнечные батареи на основе нанокристаллов потенциально превосходят все современные аналоги. Если удастся решить этот вопрос технологически, КПД солнечных батарей может превысить сорок процентов. Результаты анализов опубликованы в журнале Accounts of Chemical Research.

Евгений Биргер