Pęd światła zmienia czysty krzem z półprzewodnika pośredniego w półprzewodnik z pasmem wzbronionym

Badania prowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine pokazują, że właściwości optyczne materiałów można radykalnie poprawić — nie zmieniając same materiały, ale nadając światłu nowe właściwości.

Naukowcy wykazali, że manipulując pędem przychodzących fotonów, mogą zasadniczo zmienić sposób interakcji światła z materią. Uderzającym przykładem wynikającym z ich odkryć jest to, że właściwości optyczne czystego krzemu, szeroko stosowanego i niezbędnego półprzewodnika, można poprawić o zdumiewające cztery rzędy wielkości.

Ten przełom niesie ze sobą wielką obietnicę transformacji konwersji energii słonecznej i ogólnie optoelektroniki. The badaniezamieszczony na okładce wrześniowego wydania „ ACS Nanoprzeprowadzono we współpracy z Kazańskim Uniwersytetem Federalnym i Uniwersytetem w Tel Awiwie.

„W tym badaniu kwestionujemy tradycyjne przekonanie, że o interakcjach światła z materią decyduje wyłącznie materiał” – powiedział Dmitry Fishman, starszy autor i adiunkt chemii. „Nadając światłu nowe właściwości, możemy zasadniczo zmienić sposób, w jaki oddziałuje ono z materią.

„W rezultacie istniejące lub optycznie «niedoceniane» materiały mogą osiągnąć możliwości, o których nigdy nie myśleliśmy, że są możliwe. To jak machanie magiczną różdżką — zamiast projektować nowe materiały, poprawiamy właściwości istniejących, po prostu modyfikując wpadające światło”.

„To zjawisko fotoniczne wynika bezpośrednio z zasady nieoznaczoności Heisenberga” – powiedział Eric Potma, współautor i profesor chemii. „Kiedy światło ogranicza się do skali mniejszej niż kilka nanometrów, jego rozkład pędu poszerza się. Wzrost pędu jest tak znaczny, że przewyższa tysiąckrotnie wzrost fotonów w wolnej przestrzeni, co czyni go porównywalnym z pędem elektronów w materiałach .”

Ara Apkarian, wybitny profesor chemii, rozwinął tę kwestię, mówiąc: „Zjawisko to zasadniczo zmienia sposób, w jaki światło oddziałuje z materią. Tradycyjnie podręczniki uczą nas o pionowych przejściach optycznych, podczas których materiał pochłania światło, a foton zmienia jedynie stan energetyczny elektronu .

„Jednak fotony o zwiększonym pędzie mogą zmieniać zarówno stan energii, jak i pędu elektronów, odblokowując nowe ścieżki przejść, których wcześniej nie rozważaliśmy. Mówiąc obrazowo, możemy „przechylić podręcznik”, ponieważ fotony te umożliwiają przejścia ukośne. To dramatycznie wpływa na zdolność materiału do pochłaniania lub emitowania światła.”

Fishman mówił dalej: „Weźmy na przykład krzem — drugi najpowszechniej występujący pierwiastek w skorupie ziemskiej i będący podstawą współczesnej elektroniki. Pomimo powszechnego stosowania krzem słabo pochłania światło, co od dawna ogranicza jego skuteczność w urządzeniach takich jak panele słoneczne.

„Dzieje się tak, ponieważ krzem jest półprzewodnikiem pośrednim, co oznacza, że ​​opiera się na fononach (drganiach sieci), aby umożliwić przejścia elektronowe. Fizyka absorpcji światła w krzemie jest taka, że ​​podczas gdy foton zmienia stan energetyczny elektronu, fonon jest jednocześnie potrzebny do zmienić stan pędu elektronu.

„Ponieważ prawdopodobieństwo interakcji fotonu, fononu i elektronu w tym samym miejscu i czasie jest niskie, właściwości optyczne krzemu są z natury słabe. Stanowi to poważne wyzwanie dla optoelektroniki, a nawet spowalnia postęp w technologii energii słonecznej”.

Potma podkreśliła: „Wraz z narastającymi skutkami zmian klimatycznych przejście z paliw kopalnych na energię odnawialną staje się pilniejsze niż kiedykolwiek. Energia słoneczna odgrywa kluczową rolę w tym przejściu, jednak komercyjne ogniwa słoneczne, na których polegamy, są niewystarczające.

„Słaba zdolność krzemu do pochłaniania światła oznacza, że ​​ogniwa te wymagają grubych warstw – prawie 200 mikrometrów czystego materiału krystalicznego – aby skutecznie wychwytywać światło słoneczne. To nie tylko zwiększa koszty produkcji, ale także ogranicza wydajność ze względu na zwiększoną rekombinację nośników.

„Cenkowarstwowe ogniwa słoneczne są powszechnie postrzegane jako rozwiązanie obu tych wyzwań. Chociaż materiały alternatywne, takie jak półprzewodniki z bezpośrednią przerwą wzbronioną, wykazały cienkie ogniwa słoneczne o wydajności przekraczającej 20%, materiały te są często podatne na szybką degradację lub charakteryzują się wysoką wydajnością kosztów, co czyni je obecnie niepraktycznymi.”

„Kierując się obietnicami cienkowarstwowej fotowoltaiki na bazie krzemu, badacze od ponad czterdziestu lat szukają sposobów na poprawę absorpcji światła w krzemie” – dodał Apkarian. „Ale prawdziwy przełom pozostał nieuchwytny”.

Fishman kontynuował: „Nasze podejście stanowi radykalnie inny krok naprzód. Umożliwiając przejścia ukośne fotonów o zwiększonym pędzie, skutecznie przekształcamy czysty krzem z półprzewodnika pośredniego w bezpośredni półprzewodnik z pasmem wzbronionym – bez zmiany samego materiału. Prowadzi to do dramatycznego wzrostu zdolność krzemu do pochłaniania światła o kilka rzędów wielkości.

„Oznacza to, że możemy zmniejszyć grubość warstw krzemu o ten sam współczynnik, otwierając drzwi dla ultracienkich urządzeń i ogniw słonecznych, które mogłyby przewyższać obecne technologie za ułamek kosztów. Co więcej, ponieważ zjawisko to nie wymaga żadnych zmian w materiału, podejście to można zintegrować z istniejącymi technologiami produkcji z niewielkimi lub żadnymi modyfikacjami.

Apkarian podsumował: „Dopiero zaczynamy badać szeroki zakres zjawisk związanych z uwięzieniem światła w nanoskali i poza nią. Fizyka, której to dotyczy, jest bogata w potencjał odkryć podstawowych i stosowanych. Jednak bezpośredni wpływ jest już wyraźny.

„Przekształcenie krzemu w półprzewodnik o bezpośredniej przerwie wzbronionej poprzez zwiększony pęd fotonów może zrewolucjonizować konwersję energii i optoelektronikę”.

Współautorami tego badania byli Jovany Merham, młodszy specjalista chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, badacze z Kazańskiego Uniwersytetu Federalnego Sergey Kharintsev, Aleksey Noskov, Elina Battalova oraz badacze z Uniwersytetu w Tel Awiwie Liat Katrivas i Alexander Kotlyar.