Ученые из разных стран совместно доказали, что оптические характеристики кремния можно существенно повысить, влияя на свет, воздействующий на этот материал.
Солнце играет важную роль в «зеленой энергетике», но существующие солнечные панели не могут эффективно преобразовывать фотоны в электричество (их эффективность не превышает 25%). Тонкопленочные солнечные элементы предлагают потенциальное решение, однако материалы, необходимые для их создания, либо обладают низкой долговечностью, либо характеризуются высокой стоимостью и сложностью производства. В связи с этим, кремниевые устройства по-прежнему представляют наибольший интерес для исследователей и производителей.
Кремний, являющийся вторым по распространенности элементом в земной коре и базовым материалом для современной электроники, характеризуется низкой способностью к поглощению света. Это обусловлено тем, что кремний относится к полупроводникам с непрямозонной структурой. В кремнии изменение импульса электрона, переходящего между зоной проводимости и валентной зоной, требует участия фононов – квазичастиц, представляющих собой кванты колебаний.
Международная группа ученых разработала принципиально новый метод, который способен существенно изменить ситуацию. Оказалось, изменяя свойства света, можно изменить то, как он взаимодействует с веществом. Значит, существующие или оптически «недооцененные» материалы могут показывать свойства, которые раньше считались невозможными.
«Это похоже на чудо: мы не создаем новые материалы, а совершенствуем характеристики уже имеющихся, лишь манипулируя светом», — подчеркнул Дмитрий Фишман, ведущий автор исследования.
Взаимодействие фотонов, фононов и электронов одновременно маловероятно. Это обуславливает невысокую оптическую восприимчивость кремния, что и являлось причиной ограничивало эффективность солнечных панелей. Благодаря фотонам с измененным импульсом кремний можно преобразовать в прямой полупроводник, не изменяя его состав. При этом в 10 тысяч раз увеличивается способность кремния поглощать свет.
Ученые обнаружили явление, которое пересматривает понимание взаимодействия света и материи. Ранее считалось, что оптические переходы электронов в кремнии приводят лишь к изменению их энергетического состояния. Однако, фотоны с измененным импульсом способны влиять как на энергетическое, так и на импульсное состояние электронов, открывая новые возможности для энергетических переходов частиц.
Благодаря этой технологии станет возможным снижение толщины кремниевых слоев, что позволит создавать ультратонкие устройства и солнечные панели. Они будут обладать повышенной эффективностью и более низкой стоимостью по сравнению с существующими решениями открывает большие перспективы для оптоэлектроники и качественного улучшения возможностей использования солнечной энергии.
Авторы новой научной работы отметили, что это лишь первый этап изучения физики светового ограничения в наномасштабе. Выявленный эффект свидетельствует о наличии перспектив для фундаментальных открытий в области воздействия света на свойства вещества.
Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.