ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР В ПРОЦЕССАХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Джалалов Темур Асфандиярович

преподаватель кафедры физики, Ташкентский университет информационных технологий, г. Ташкент

E-mail: tdjalalov@gmail.com

Введение.

Кремневые фотоэлементы, обладая целым рядом технологических и экономических преимуществ перед другими материалами, имеют вместе с тем определенный недостаток, связанный с природой самого кремния (ширина запрещенной зоны у него при 300 К равна 1,12 эВ). Дело в том, что оптимальный диапазон преобразования солнечной энергии для кремневых фотоэлементов приходится на инфракрасный спектр (1—1,5 эВ), с малой интенсивностью в солнечном потоке, а поглощение более интенсивных коротких электромагнитных волн - вызывает лишь рост энтропии системы.

Механизм устранения этого недостатка целесообразно искать в достижениях современной нанотехнологии, которые могут придать фотопреобразователям принципиально новые качества, значительно повышающие их эффективность.

Как показано в [3], одним из перспективных направлений повышения (до 50 %) эффективности фотоэлектрических систем является использование в процессах фотопреобразования уникальных свойств эффекта мультиэкситонной генерации (МЭГ — генерация множества экситонов при поглощении одного фотона, до семи экситонов на фотон). Он впервые был предсказан в 2002 г. [5] и в дальнейшем всесторонне исследован в работах [6, 4, 9, 8, 7] на различных материалах с полупроводниковыми квантовыми точками (в частности, на селенидах и сульфидах тяжелых металлов). Механизм данного процесса на сегодняшний день не вполне раскрыт. Статистический подход к объяснению мультиэкситонной генерации был предложен в работе [2]. Необходимо подчеркнуть, что данный эффект практически не наблюдается в массивных образцах.

Квантовая точка (нанокристалл), в которой проявляется эффект мультиэкситонной генерации, представляет собой нульмерный объект. Это не нанокластер, а наноразмерная кристаллическая, дисперсионная и квазиобъемная структура вещества. Особенности квантовой точки:

·размеры варьируются в пределах от 5 до 50 нм;

·число атомов (или молекул) доходит до нескольких тысяч;

·сохраняются практически все специфические особенности свойств нанообъектов;

·отсутствует характерная для нанокластера зависимость свойств от количества атомов;

·физико-химические свойства зависят от размера частиц (зерен, кристаллитов).

Взаимодействие молекул квантовой точки с энергичными фотонами солнечного излучения (поглощаются фотоны в основном из видимого диапазона, а значит и более высокой интенсивности) приводит к оптическому возбуждению «первичного» электрона. Последующая релаксация энергии оптического возбуждения молекул квантовой ямы осуществляется посредством ударной Оже рекомбинации с одновременной мультиэкситонной генерацией (нескольких электронно-дырочных пар или экситонов).

Причинами того, что данный эффект не наблюдается в массивных образцах, по мнению автора, являются два свойства проявляющиеся в рассматриваемых квантовых точках:

·первое — энергетическая структура квантовой точки, в отличие от зонной структуры массивного образца того же состава, является дискретной. Причиной этого является довольно ограниченное количество атомов составляющих нанокристалл. При объединении атомов происходит некоторое смещение энергетических состояний от первоначального атомарного спектра, но в силу ограниченности количества атомов не происходит перекрывания уровней и формирования зон. Энергетический спектр нанокристалла скорее является совокупностью дискретных «энергетических полос»;

·второе — энергетическая «глубина» экситонных состояний в нанокристаллах сопоставима с тепловой энергией (кТ) даже при комнатной температуре [1], тогда как в массивных образцах, энергия экситонов несравненно меньше энергии теплового возмущения, в результате чего в них при комнатной температуре экситонов практически не наблюдается.

Механизм фотопреобразования на основе эффекта мультиэкситонной генерации.

Конструкция фотоэлемента. Освещаемая сторона фотоэлемента (II- слой на рис. 1.) представляет собой тонкий слой покрытия (до 10 нм) из сильно вырожденного дырочного, широкозонного (с шириной запрещенной зоны не менее 3 эВ) полупроводника, который для электрона проводимости образует достаточно высокий потенциальный барьер. На него наносятся (I- слой на рис. 1.) в шахматном порядке (рис. 2.) равновеликие квантовые ячейки (КЯ), например, из селенида свинца - PbSe или сульфида свинца — PbS, с соответствующим набором Е_i - дискретных энергетических уровней (E_0,E₁, E₂, E₃ и т. д.). Область между квантовыми ячейками покрывается веществом, образующим с ними омический контакт.

Сильно вырожденный дырочный, широкозонный полупроводник совместно со слаболегированным кремнием n типа представляют собою гетеропереходную пару, область пространственного заряда (ОПЗ) которой на рис. 1. отмечена цифрами III и IV (кремний играет также роль подложки).

Конструкция рассматриваемого фотоэлемента включает в себя квантовые точки и гетеропереход из сильно вырожденного широкозонного полупроводника р типа и слаболегированного кремния n типа. Материалы фотоэлемента подбираются таким образом, что энергетическая зонная структура в равновесии определяется единым F-уровнем Ферми, практически совпадающим с уровнем Е_о квантовой точки, то есть с уровнем дырок электронно-дырочной пары экситона в квантовой яме (рис. 1.).

Такое сочетание элементов конструкции является, возможно, наиболее оптимальным для эффективного преобразования видимого спектра солнечной энергии на основе мультиэкситонной генерации.

Механизм фотопреобразования. В результате мультиэкситонной генерации возникают электронно-дырочные пары, при этом дырки занимают состояние Е₀, практически совпадающее с уровнем ферми всей системы, а электроны этой пары занимают уровень Е₁ расположенный выше на величину «ширины запрещенной зоны» квантовой ямы. Уровень Е₁, (как видно из рис. 1.) пространственно отделен потенциальным барьером от зоны проводимости кремния. До процесса поглощения света уровень Е₁ не был заселен. Рожденному в процессе мультиэкситонной генерации электрону с этого уровня открывается канал туннелирования в зону проводимости кремния.

Переход электрона в зону проводимости приведет к пространственному разделению электронно-дырочной пары и возникновению на контактах фотоэлемента разности потенциалов U_k, величину которой можно оценить из соотношения:

U_k=ΔЕ_g1- ΔЕ_c - μ_p - μ_n,

где: ΔЕ_g1 — ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника,

ΔЕ_c — разрыв зоны проводимости, определяемый разностью работ выхода полупроводников n и p типов, а μ_p и μ_n — соответственно, их энергии Ферми в исходном со стоянии.

Расчет вероятности туннелирования, а также токовых характеристик фотоэлемента будет представлен в отдельной работе.

Подводя итог данной работы можно отметить, что в ней показана принципиальная возможность повышения эффективности солнечных фотоэлементов на основе эффекта мультиэкситонной генерации, раскрыты специфические особенности эффекта, позволяющие использовать их в процессах фотопреобразования, а также дана полуфеноменологическая модель конструкции фотоэлемента, активная область которой включает в себя квантовые нульмерные структуры, позволяющие использовать мультиэкситонную генерацию в преобразовании солнечной энергии. Показано, что КПД предложенного фотоэлемента обеспечивается высокими значениями квантового выхода, и поглощением энергичных фотонов видимого спектра излучения в процессе фотопреобразования.

Список литературы:

1. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. М.: Логос. 2006. С. 163.
2. Оксенгендлер Б.Л., Тураевa Н.Н., Рашидова С.Ш. Статитическая теория множественного рождения экситонов в солнечных элементах на основе квантовых точек. Гелиотехника. 2009. № 3. С. 36—42.
3. Basic research needs for Solar Energy Utilization. Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Solar Energy Utilization. April 2005, 18021, Second Printing, October 2005, U.S. Dep. of Energy (DOE).
4. Elingson et.al. Nano Lett. 2005.V. 5. P. 865.
5. Nozik A. J.Physica E. 2002. V. 14. P. 115.
6. Schaller R. and Klimov V.I. Phys.Rev.Lett. 2004.V. 92. P. 186601.
7. Schaller R.D., Petruska M.A. and Klimov V.I. Appl.Phys.Lett. 2005.V. 87. P. 253102.
8. Schaller R.D., Pietryga J.M. and Klimov V.I. Nano Lett. 2007.V.7. P. 3469-3476.
9. Schaller R., Sycora M., Pietryga J.M. and Klimov V.I. Phys.Rev.Lett. 2006. V. 96. P. 097402—1—4.