Международная группа учёных показала, что можно существенно повысить оптические характеристики кремния, модифицируя его взаимодействие со светом.
Солнце является одним из основных источников энергии для «зеленой энергетики», но существующие солнечные панели не очень эффективно преобразуют фотоны в электричество (их КПД не превышает 25%). Тонкопленочные элементы могут решить эту проблему, но материалы для их создания быстро изнашиваются или слишком дорогие и сложны в производстве. Из-за этого кремниевые устройства остаются наиболее привлекательными для исследователей и производителей.
Кремний, второй по частоте появления элемент земной коры и основа современной электроники, слабо поглощает свет. Такая особенность связана с тем, что кремний — непрямозонный полупроводник. Переход электронов между зоной проводимости и валентной зоной в нем сопровождается изменением импульса. Для осуществления электронных переходов в кремнии необходим вклад фононов — квантов колебания.
Группа исследователей разработала новый метод, который может значительно изменить ситуацию. изменить Изменение свойств света влияет на его взаимодействие с веществом. Таким образом, известные или «недооцененные» оптические материалы могут демонстрировать ранее не наблюдаемые характеристики.
Дмитрий Фишман, первый автор нового исследования, сказал, что это похоже на взмах волшебной палочки: вместо создания новых материалов мы совершенствуем характеристики имеющихся, меняя лишь свет.
Низкая вероятность одновременного взаимодействия фотона, фонона и электрона обуславливает слабые оптические свойства кремния. ограничивало Эффективность солнечных панелей повышается благодаря изменению импульса фотонов. Кремний при этом преобразуется в прямой полупроводник без изменения состава, что увеличивает его светопоглощение в десять тысяч раз.
Открытый учеными феномен меняет представления о взаимодействии света с веществом. Оптические переходы электронов внутри кремния предполагают изменение только энергетического состояния электрона. Фотоны с измененным импульсом могут изменить как энергетическое, так и импульсное состояние электронов, делая возможными новые пути для энергетических переходов частиц.
Открытие даст возможность сделать тончайшие кремниевые слои и создавать ультратонкие приборы и солнечные батареи, превосходящие существующие по производительности и цене. открываетОптоэлектроника открывает широкие возможности, а также повышает эффективность использования солнечной энергии.
Авторы нового исследования отметили, что это лишь первый шаг к изучению физических границ света на наноуровне. Выявленный эффект свидетельствует о том, что в области изучения влияния света на материальные характеристики ещё много места для фундаментальных открытий.
Исследование опубликовано в журналеACS Nano.