Нанодиод и нанобатарея: Энергетическая революция в миниатюре
Принцип работы традиционной солнечной батареи достаточно прост: свет, падая на поверхность, покрытую полупроводником, выбивает электроны с их атомных орбит. Когда электрон покидает орбиту атома и отравляется в «свободное путешествие», на его месте образуется дырка — то есть, обладающее условным положительным зарядом вакантное место, притягивающее новые электроны. Однако тут кроется одна существенная проблема. Поскольку свободные электроны и дырки появляются в одной и той же области, они постоянно рекомбинируют. Выбитый со своей орбиты электрон быстро находят себе вакантное место где-нибудь по соседству, а его первоначальное место в скором времени занимает другой близкий свободный электрон.
Между тем для того, чтобы полупроводник производил электричество, свободные электроны необходимо как-то накапливать. Это достигается за счет создания двух соседствующих зон из полупроводников с разным типом проводимости — дырочной и электронной. В месте их контакта образуется зона p-n перехода, которая может пропускать электроны только в одну сторону, а дырки — только в противоположную. Электроны постепенно накапливаются с одной стороны, а дырки — с другой. Если соединить между собой выводы получившегося диода, электроны устремятся в сторону дырок, и в цепи появится электрический ток. К сожалению, по причинам чисто технологического толка, потери, связанные с рекомбинацией электронов и дырок, в подобных системах очень значительны. А чтобы их минимизировать, нужно научиться создавать как можно более тонкие слои соседствующих полупроводников, а также решить проблему отвода собранных электронов. Группе ученых во главе с Йонгом Зангом (Yong Zhang) удалось значительно продвинуться в этом направлении, объединив два полупроводника в рамках единой наноструктуры, повторяющей структуру коаксиального кабеля.
Обычный коаксиальный кабель состоит из центральной медной жилы, окруженной изолятором, и внешнего медного проводника, выполненного в виде проволочной оплетки. Как правило, снаружи кабель также покрывается защитным изоляционным слоем. Таким образом, оба проводника образуют два коаксиальных (соосных) цилиндра. Коаксиальные кабели обладают рядом преимуществ: в случае передачи слабого информационного сигнала, центральная жила оказывается очень хорошо защищена от помех. Если же речь идет о силовом сигнале, соосная конфигурация проводников позволяет значительно снизить потери, связанные с излучением — за счет того, что электромагнитное поле оказывается целиком сосредоточено между проводниками. Оплетку кабеля можно рассматривать в роли обратного канала для тех электронов, которые уже успели пройти по сердечнику кабеля. С тем же успехом ее можно представить как канал, по которому движутся дырки — в том же направлении, что и электроны сердечника. Изолятор между сердечником и оплеткой разделяет эти два потока зарядов, не давая им слиться раньше времени.
Исследователям удалось воспроизвести структуру коаксиального кабеля на наноуровне — ученые использовали в нем два полупроводниковых материала: нитрид (GaN) и фосфид галлия (GaP). Кабель существует в двух вариантах — с сердечником из GaN и оболочкой из GaP, и наоборот. В обеих вариантах устройство имеет сечение около 4 нм, что сравнимо с длиной волны видимого света — толщина функциональных частей кабеля не превышает нескольких атомарных слоев.
Фотоны, попадающие в оплетку созданного «нанокабеля», выбивают электроны с атомарных обрит, после чего происходит эффективная сепарация дырок и электронов между разными полупроводниками. Структура одновременно выступает и в роли солнечного элемента, и в роли обыкновенного провода, что позволяет решить проблему отвода выработанной электроэнергии (поскольку нитрид и фосфид галлия обладают разным типом проводимости, ученым не потребовалось разделять сердечник и оплетку с помощью изолятора). Наконец, благодаря ряду сложных квантовых эффектов, полупроводник оплетки, взаимодействуя с полупроводником сердечника, оказывается восприимчив к более широкому спектру видимого света. В сумме это позволяет ученым надеяться на создание новых, относительно дешевых солнечных батарей с очень высоким КПД. Кроме того, коаксиальные нанокабели могут быть найти свое применение в сфере электроники — как важная деталь будущих нанокомпьютеров.
По информации Physorg.Com