Главный недостаток существующих преобразователей солнечного излучения в электричество - низкий КПД. У традиционных кремниевых батарей он чуть выше десяти процентов. Причина в том, что они настроены на кванты света с определенной энергией, а большая часть спектра теряется впустую. Чтобы решить эту проблему, конструируют многослойные батареи, эффективность преобразования которых составляет уже 35 процентов. Увы, такие устройства обходятся дорого и широкого применения пока не находят.
Ученые Института физики полупроводников (ИФП) им. А. В. Ржанова СО РАН совместно с коллегами с завода "Экран ФЭП" предложили новый тип вакуумного фотодиода, позволяющий эффективно преобразовывать свет в электричество. КПД, по оценкам, составляет пятьдесят процентов, и есть резерв для его увеличения.
В каком-то смысле это возращение к хорошо забытому старому, ведь до начала эры полупроводников вся электроника работала на вакуумных радиолампах.
- В высококачественной аппаратуре для звукозаписи до сих пор используют радиолампы, и звук получается чище, - отмечает научный сотрудник ИФП СО РАН Олег Терещенко. - А что касается вакуумного фотодиода, то электроды в нем не соприкасаются, и это позволяет конструировать анод независимо от катода, не ориентируясь на то, как они будут сочетаться между собой. Кроме того, в твердом теле значительная часть энергии выбитых светом электронов тратится на нагревание. У нас же тепловых потерь практически нет.
Сначала сибиряки оптимизировали катод - использовали арсенид галлия, покрытый слоем оксида цезия толщиной в один атом. У такого электрода очень низкая работа выхода - около одного электрон-вольта (для сравнения: у большинства материалов - четыре-шесть электрон-вольт), то есть электрон можно выбить, затратив минимум энергии. А это означает, что будет работать весь спектр солнечного света.
- Мы освещали катод в диапазоне длин волн 350-900 нанометров (на него приходится максимум солнечной энергии излучения) и получали в цепи электрический ток без приложения разности потенциалов, - отмечает доктор физико-математических наук Олег Терещенко.
По оценкам ученых, коэффициент полезного действия вакуумного фотодиода - пятьдесят процентов и выше.
- Сейчас мы приступаем к работам с анодом и планируем использовать пленку из алмаза, что дополнительно улучшит характеристики преобразования солнечной энергии в электричество, - продолжает Олег Терещенко. - Кроме того, анод будет прозрачным, что позволит улавливать свет, приходящий с разных сторон.
Но, как всегда, в бочке меда есть ложка дегтя - использовать вакуумные солнечные батареи в земных условиях слишком накладно. Иное дело - космос, где глубокий вакуум бесплатен. Сибирские разработки могут найти применение на космических аппаратах или, например, на лунной базе. Кстати, и изготавливать их также можно вне Земли. В ИФП СО РАН не первый год работают над проектом по производству полупроводников на Международной космической станции.
- На орбите идеальные условия для производства полупроводниковых устройств, - подчеркивает замдиректора Института физики полупроводников Олег Пчеляков. - Здесь "работают" огромный вакуумный насос и естественное охлаждение. Крайне важно, что такая вакуумная "космическая лаборатория" не имеет стен, ведь именно они являются основным источником вредных примесей в чистом производстве.
Между тем
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Института имени Макса Планка (Германия) и Белорусского госуниверситета синтезировали уникальный материал, который может повысить эффективность солнечных батарей. По данным исследователей, при попадании кванта света на пленку из наноструктурированного оксисульфида висмута он выбивает не один (как в обычных панелях из кремния), а два десятка электронов. Исследователи рассчитывают, что новый материал позволит преобразовывать солнечную энергию в электричество с высоким КПД.