Нанотехнологии и интересные разработки

Нанопроволочная гелиоэнергетика

Похоже, что Солнце, как источник всей жизни на Земле, лет через 30–50 станет и основным источником электричества для землян. Американцы, гораздые на всякие инициативы (вспомним хотя бы СОИ), и здесь впереди планеты всей. В январе 2008 года в журнале «Scientific American» опубликован грандиозный солнечный план для США [1].

Зная солнечную постоянную (~1 кВт/м²) и радиус Земли (~ 6000 км), легко подсчитать, что всего за 40 минут Солнце выдаёт Земле столько энергии, сколько всё человечество потребляет сегодня за год. А на юго-западе США имеется 250000 квадратных миль пустынных земель, где почти круглый год тепло и светло. Если только 10% этой площади покрыть солнечными панелями с кпд 25%, то американцам будут не нужны ни арабская нефть, ни российский газ, ни собственный уголь, ни даже атомные электростанции. Причём абсолютно чистое «солнечное» электричество будет стоить им не больше, чем нынешнее мазутно-газо-угольное (~ 15–17 центов за киловатт-час). В статье подробно описано, что надо сделать правительству США, чтобы достичь поставленной цели к середине текущего века, т.е., как надо правильно потратить полтриллиона долларов. Подсказано даже, как почти незаметно можно изъять эти полтриллиона из толстых кошельков бедных американцев. Насколько известно автору, в «великой энергетической державе» России, никаких таких планов никто не строит. И не потому, что не надо. Может быть, потому, что нет такой большой солнечной территории? Или потому, что сибирской нефти, газа и угля на наш век хватит?

Немецкий прогноз развития первичных источников энергии в 21 веке приведён на Рис.1.

Рис. 1. Прогноз эволюции основных источников энергии для человечества в 21 веке [2]

Как и в любом супер-перспективном и супер-доходном деле, без волшебной приставки «нано» и в солнечной энергетике не обходится [3]. В данной заметке мы не будем касаться фотоэлектрохимических преобразователей солнечной энергии, в которых нанопорошки или наногубки из TiO₂ (или ZnO, или SnO₂) играют ключевую роль (наряду с красителями, которые, собственно, и «усваивают» солнечные фотоны, см. Рис. 2) и которые может смоделировать каждый прямо на собственной кухне [5], а поговорим о полупроводниковых нанопроволоках (точнее, коаксиальных p-n нанокабелях), которые – в перспективе – обещают превзойти нынешние плоскопараллельные довольно массивные и достаточно дорогие солнечные элементы почти по всем параметрам.

Рис. 2. Структура фотоэлектрохимического солнечного элемента [4]. Свет поглощают молекулы специально подобранного красителя, адсорбированные на поверхности нано-анатазного TiO₂. Фоторождённые электроны переходят с молекул красителя в зону проводимости диоксида титана и с трудом и многочисленными жертвами, но добираются до проводящей стекляшки-подложки. Потерю заряда компенсирует электролит, так что цепь замкнута и солнечный свет превращается в электричество с кпд 5–8%

В отличие от Остапа Бендера, у физиков есть только два способа сделать нанопроволоку: а) вырастить и б) вытравить. Но, конечно, надо понимать, что и у способа а), и у способа б) существует куча разновидностей. О том, как растят нанопроволоки в Гарвардском университете (Кэмбридж, США), можно прочитать в [6]. А про великое разнообразие гарвардских изделий из нанопроволок – в [7–9]. Для того, чтобы представить, о каком массиве информации идёт речь, полезно взглянуть на Рис. 3, который показывает количество журнальных публикаций за 1994–2007 годы по углеродным нанотрубкам и всем прочим нанопроволокам. Показано также, кто вносит наибольший вклад в этот девятый вал информации. Из 13% «прочих» на Россию приходится менее 2%.

Основная физическая идея использования микро- и нанопроволок для изготовления солнечных элементов (СЭ) состоит в том, чтобы расперпендикулярить два процесса: поглощение света (по оси проволоки) и разделение фоторождённых электронно-дырочных пар (по радиусу проволоки). А основной экономический «драйвер» этого подхода заключается в том, что полупроводниковые «усики» можно вырастить на чём угодно, включая стальную ленту – фольгу [11]. И фольга эта гораздо дешевле дефицитного кремния [12], который составляет основу нынешних солнечных элементов, и половина их стоимости приходится именно на него [13] .

Рис. 3. Распределение числа публикаций по углеродным нанотрубкам и другим нанопроволокам по годам (а) и странам (б) [10]

Основной механизм потерь в плоских солнечных элементах иллюстрирует Рис. 4, на котором показана электронно-дырочная пара, рождённая солнечным фотоном на расстоянии от p-n перехода, превышающем диффузионную длину электрона в р-базе (L_n)

Рис.4. Картина процесса в плоском солнечном элементе. Глубина поглощения света составляет порядка 1/? , где ? – коэффициент поглощения (см^-1), а расстояние, которое может пробежать электрон, определяется его диффузионной длиной L_n. Справа показана энергетическая диаграмма р-п-перехода (n-область светлая, р-область серая)[14].

Указанный электрон не дойдёт до р-п-перехода и не даст вклада в фототок, т.е. солнечный фотон будет израсходован напрасно. Поэтому в солнечных элементах используются полупроводники, у которых диффузионная длина L_n порядка толщины всей р-области или даже превосходит её. А это непросто и, конечно, дорого, потому что материал должен быть весьма совершенным. Но дешёвое совершенство бывает только в сказках, а в реальной жизни для его достижения приходится изрядно попотеть. Снять проблему помогает радиальная организация р-п переходов, как показано на Рис. 5.

Рис.5. Структура солнечного элемента, состоящего из отрезков р-п микро- или нанокабелей [14]. Чёрным цветом изображена р-область, а серым – n. Прозрачный верхний электрод, через который поступает солнечный свет, образует омический контакт к n-области

Теперь электрону, рождённому солнечным светом в центральной жиле, надо пробежать совсем немного (порядка радиуса этой жилы, который может составлять всего-то 100–1000 нм), чтобы достичь р-п перхода и выполнить свою полезную функцию – превратить свет в электричество. Поэтому центральная жила может быть изготовлена из совсем плохого полупроводника с очень маленькой диффузионной длиной. А это исключительно важно, поскольку лучше всего кремниевые (и прочие полупроводниковые) нанопроволоки растут из капелек таких металлов, как золото, никель, железо, и все эти металлы, к сожалению, являются «убийцами» диффузионной длины в Si (и прочих полупроводниках).

Есть у нанопроволок и ещё одно важное преимущество. Солнечный свет не только поглощается в полупроводниках, но и не менее успешно отражается от них. И если не принимать специальных мер, то 25–35% солнечных фотонов просто отскочит от пластины кремния, например, вместо того, чтобы поглотиться. Поэтому все плоские солнечные элементы непременно снабжаются антиотражающими покрытиями во избежание таких потерь. А это – отдельная операция и, соответственно, добавка в цену. А вот в нанолесе из нанопроволок солнечный свет за счёт многократных переотражений совсем запутывается и потери на отражение сводятся к минимуму без всяких дополнительных усилий (см. Рис. 6).

Рис.6. Коэффициент отражения в зависимости от длины волны для полированного кремния (верхняя кривая), для «зачернённого» Si в растворе HF/HNO₃, (вторая сверху кривая) и для поликристаллического и монокристаллического кремния со слоем нанопроволок на поверхности (две нижних кривых) [15]

Конечно, в нанопроволочной гелиоэнергетике есть и свои шедевры. К таковым можно отнести работу , выполненную группой китайских аспирантов под руководством проф.Чарльза Либера из уже упоминавшегося Гарвардского университета США [16]. Они сумели сотворить p-i-n фотоэлемент из одной – единственной кремниевой нанопроволоки. Схема заготовки вместе с электронно-микроскопическими снимками приведена на Рис. 7.

Рис. 7. (а) Схема кремниевого коаксиального нанопроволочного p-i-n фотодиода, справа приведена фазовая диаграмма системы Si-Au, на основе которой методом пар-жидкость-кристалл была выращена центральная жила трёхслойного нанокабеля; (b-с) электронно-микроскопические снимки с разным увеличением, из которых видно, что монокристальной является только центральная жила. Верхний масштабный штрих на Рис. 7 (b) соответствует 1 мкм, нижний – 100 нм, а на Рис.7(с) – 5 нм [16]

Для превращения заготовки в работающий p-i-n фотодиод необходимо было «приконтачиться» по отдельности к р- и n-областям, что и было успешно осуществлено с помощью электронной литографии, селективного травления (см. Рис. 8) и неимоверной усидчивости китайских соискателей американских PhD. КПД уникального солнечного элемента составил 3,5±0,2% при засветке, эквивалентной одному Солнцу, 4,1±0,2% – при двух Солнцах и 4,5±0,3% – при пяти. Конечно, это довольно скромные цифры на фоне нынешнего мирового рекорда (40,7%), поставленного матёрыми трёхпереходными солнечными элементами в системе InGaP/InGaAs/Ge при концентрации в 240 Солнц [17]. Максимальная мощность достигала 200 пВт, чего вполне хватило для запитывания нанопроволочного-же сенсора, сделанного в той же группе по такой же технологии. В общем, наносенсорика приобрела и собственный солнечный наноисточник энергии. То ли ещё будет! И совсем недаром со страниц журнала «Physics Today» в июле с.г. прозвучал призыв – «подключись к Солнцу!», а его обложку украшало изображение солнечной панели [18].

. 8. Процесс изготовления нанопроволочного p-i-n фотодиода методами электронной литографии и селективного травления [16]: (а) схема, (b) изображение реального изделия в сканирующем электронном микроскопе. Масштабные штрихи (слева направо) 100 нм, 200 нм и 1,5 мкм, соответственно

Автор – С. Чикичев

Источники:

1. Scientific American, v.298, No1, pp. 64–71 (2008)
2. Fraunhofer Energy Roadmap (2007)
3. Proc.Third Internat. Forum on Strategic Techn. (IFOST-2008), Novosibirsk-Tomsk, pp. 165–166 (2008)
4. Science, v.315, pp. 798–801 (2007).
5. Physics Education, v.43, No 3, pp. 270–279 (2008).
6. ПерсТ, т.8, вып. 11, с.3–5 (2001).
7. ПерсТ, т.12, вып.15/16, с.1–3 (2005).
8. ПерсТ, т.12, вып.15/16, с.3–5 (2005).
9. ПерсТ, т.12, вып.15/16, с.5–7 (2005).
10. ACS Nano, v.2, No 7, pp.1329–1335 (2008).
11. Appl.Phys.Letters, v.91, paper 233117 (2007).
12. III-V Review, v.17, No 7, pp.40–42 (2004).
13. IEEE Trans. Electron Dev., v.46, No 10, pp.1948–1969 (1999).
14. J.Appl.Phys., v.97, p. 114302, (2005)
15. Small, v.1, No 11, pp.1062–1067 (2005).
16. Nature, v.449, pp.885–889 (2007).
17. Appl.Phys.Letters, v.90, p. 183516 (2007).
18. Physics Today, v.61, No 7, pp.42–47 (2008).

nanonewsnet.ru

Предыдущая 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 »» 8 Следующая

В начало