Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН совместно с ЗАО «Экран ФЭП» создали новый тип вакуумного фотодиода, который позволяет эффективно преобразовывать свет в электричество и перспективен для использования в солнечной энергетике, особенно при размещении устройств в космосе. Результаты этой работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

При преобразовании света в электричество есть две проблемы: как выбить много электронов и как собрать и заставить их двигаться в определенном направлении (в противном случае, если электроны мечутся по полупроводнику бесцельно, он просто нагревается). В настоящее время наиболее эффективны многокаскадные полупроводниковые преобразователи. Сибирские ученые предложили использовать вакуумный фотодиод. Его отличие в том, что полупроводниковые электроды не соприкасаются, а находятся на определенном расстоянии друг от друга в вакууме, это позволяет взять анод независимо от катода, то есть сделать их структуру и состав, не ориентируясь на то, как они будут сочетаться между собой. Исследователи ИФП СО РАН предложили упростить электронам выход в вакуум за счет состава и структуры катода: они использовали арсенид галлия, покрытый одним слоем атомов цезия и кислорода. У такого электрода очень низкая работа выхода — около 1 эВ (для сравнения: у большинства материалов показатель составляет 4—6 эВ), это значит, что электрон можно извлечь в вакуум, затратив предельно малую энергию. То есть при использовании таких структур электроны выбиваются проще (не нужно греть катод или подавать напряжение). 

В ходе эксперимента ученые осветили один из электродов в диапазоне длин волн 350—900 нм (на этот диапазон приходится максимум солнечной энергии излучения), в результате чего в цепи возник электрический ток без приложения разности потенциалов между электродами.

Теоретический коэффициент полезного действия фотодиода сравним с квантовой эффективностью фотокатода — 50 % и выше. В перспективе это позволит фотоэмиссионным преобразователям конкурировать с используемыми сейчас многокаскадными полупроводниковыми, особенно для применения в космосе. Квантовая эффективность — это величина, которая характеризует фоточувствительные приборы и материалы, количественная мера, показывающая разницу между тем, сколько фотонов материал поглотил, и сколько при этом испустилось электронов.

— Помимо прикладного значения, в таком приборе оказалось возможным изучать очень богатую физику фотоэмиссии низкоэнергетических электронов, а также процессы инжекции свободных спин-поляризованных электронов. На базе изготовленного вакуумного фотодиода можно создать детектор спин-поляризованных электронов с пространственным разрешением, что в свою очередь пригодится в электронных спектрометрах для получения информации о зависимости энергии электронов в кристалле от его импульса и спиновой поляризации, — рассказывает научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко. Об этом опубликована статья в Physical Review Applied.