Энергетическая революция в миниатюре
Свет, падая на поверхность, которая покрыта полупроводником выбивает электроны с их атомных орбит – это основной принцип работы солнечной батареи.
На месте выбитого электрона образуется дырка, т.е. место, которое обладает условным положительным зарядом, привлекающим новые электроны. Однако, поскольку выбитые электроны и дырки появляются в одной и той же области, то они постоянно рекомбинируются. Выбитый электрон занимает место по соседству, а место на котором он был заполняется соседним свободным электроном.
Чтобы полупроводник производил электричество свободные электроны необходимо накапливать, что достигается путём создания двух зон с разными типами проводимости: электронной и дырочной. В месте их контакт появляется зона р-n рехода, пропускающая электроны в одну сторону, а дырки в другую, где они и накапливаются. Соединив между собой выводы такого диода электроны устремляются в сторону дырок и в системе появляется электрический ток. Однако потери связанные с рекомбинацией в подобных системах очень значительны. А для их уменьшения необходимо создавать более тонкие слои полупроводников находящихся по соседству. Группа учёных, возглавляемая Йонгом Зангом смогла обьединить два полупроводника в пределах наноструктуры, которая повторяет структуру коаксиального кабеля.
Коаксиальный кабель состоит из медной жилы, окруженной изолятором, и внешнего медного проводника, в виде проволочной оплетки. Зачастую кабель снаружи покрывается изоляционным слоем. Таким образом, проводники образуют два коаксиальных цилиндра. Эти кабели имеют несколько преимуществ: центральная жила защищена от пмех при передаче слабого сигнала, при силовом сигнале соосная конфигурация позволяет снизить потери из-за излучения за счёт сосредоточения магнитного поля между проводниками.
Оплетку кабеля представляет собой обратный канал для электронов прошедших по сердечнику кабеля, также можно рассматривать как канал, по которому движутся дырки и электроны. Изолятор между сердечником и оплеткой разделяет эти два потока зарядов, не давая им соединится до определённого момента времени.
Учёные при воспроизведении структуры коаксиального кабеля на наноуровне использовали два полупроводниковых материала нитрид и фосфид галлия. Есть 2 вида кабелей, в одном в роли сердечника полупроводник из нитрида, а оболочка из фосфида галлия, во втором – наоборот. Сечение в обоих вариантах имеет около 4нм, а толщина функциональных частей кабеля не превышает нескольких атомарных слоев.
Попадая на поверхность созданного «нанокабеля» фотоны, выбивают электроны с их обрит, после чего происходит эффективная сепарация дырок и электронов между разными полупроводниками. Структура этого кабеля выступает в роли солнечного элемента, и как обыкновенный провод, благодаря чему можно решить проблему отвода выработанной электроэнергии. В итоге после сложных квантовых эффектов, полупроводник оплетки, взаимодействуя с полупроводником сердечника, является восприимчивее к более широкому спектру видимого света.
Это позволяет учёным надеятся на создание более дешёвых солнечных батарей с высоким КПД. Также эти нанокабели могут найти широкое применение в электронике.
|
