Новости химической науки > Стопки диэлектриков перспективны для солнечных батарей

Стопки слоев оксидов металлов, проявляющие диэлектрические свойства, демонстрируют потенциал в плане эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую. Исследователи из Технического Университета Вены рассчитали, что нанесение слоев LaVO₃ на основу из SrTiO₃ предоставляет возможности, которые недоступны для обычных полупроводников [1].

Руководитель исследования Джорджио Санджиованни (Giorgio Sangiovanni) отмечает, что применение системы LaVO₃/SrTiO₃ в фотогальванике является принципиально новой идеей.

В 2002 году было обнаружено, что контакт LaAlO₃/SrTiO₃ может приводить к созданию электропроводных «двумерного электронного газа», который обычно характерен для полупроводников. Открытие было неожиданно в том плане, что оба смешанных оксида обычно ведут себя как диэлектрические материалы [2].

Исследователи из группы Санджиованни осознали, что наблюдаемый эффект может оказаться полезным для солнечных батарей, в которых фотоны возбуждают электроны, заставляя их переходить из зоны полупроводимости в зону проводимости. В результате такого возбуждения образуется электрон и носитель положительного заряда – дырка, которые перемещаются в противоположных направлениях, двигаясь к аноду и к катоду соответственно, в результате чего возникает электрический ток. Однако фотогальванические материалы поглощают только те фотоны, энергия которых больше энергетического расстояния между электронными уровнями, что, очевидно, понижает эффективность солнечных батарей. Санджиованни отмечает, что энергетическая щель в 3 эВ, характерная для системы LaAlO₃/SrTiO₃, слишком велика, а энергетическая щель, характерная для LaVO₃/SrTiO₃, равная 1,1 эВ, идеальна для применения в качестве материала для солнечных батарей.

Дополнительное преимущество систем, состоящих из слоев оксидов переходных металлов, заключается в том, что они могут способствовать разделению носителей отрицательного и положительного заряда. Санджиовани поясняет, что многие такие системы полярны и содержат положительно и отрицательно заряженные слои, что создает электрическое поле, способствующее локализации электронов и дырок в различных областях. Еще один дополнительный бонус новой системы заключается в том, что у контакта с тонкими слоями LaVO₃ проявляется металлическая проводимость, позволяющая генерировать электричество без необходимости использования дополнительных электродов.

Чередующиеся слои могут создать электрическое поле, которое способствует лучшему разделению электронов и дырок. (Рисунок из Phys. Rev. Lett, 2013, DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.078701)

В настоящее время самая высокая эффективность наблюдается для фотогальванических материалов, улавливающих большую часть солнечной энергии за счет слоистых систем полупроводниковых материалов с небольшим значением энергетической щели, например, GaAsP₂/GaAs/Ge. Исследователи из группы Санджиованни вычислили, что системы на основе слоев оксидов переходных металлов, такие как LaFeO₃/LaVO₃/SrTiO₃, могут сравниться по эффективности с полупроводниковой фотогальваникой.

Жан Марк Трискон (Jean-Marc Triscone) из Университета Женевы, также изучающий электрические свойства зон контакта оксидов, говорит о работе Джиованни, как об отличной идее. Тем не менее, он высказывает опасение по поводу того, что в толстых слоях, технологически необходимых для создания солнечных ячеек, электрическое поле может обладать крайне невысокой напряженностью. Он также обеспокоен тем, что в оксидных материалах может происходить большое количество нежелательных для фотогальваники процессов рекомбинации электрон-дырка (это может быть следствием дефектов кристаллов). Тем не менее, он уверен, что теоретические идеи Джиованни надо опробовать на практике.

Источники: [1] Phys. Rev. Lett, 2013, DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.078701; [2] Nature, 2002, 419, 378 (DOI: 10.1038/nature00977)

метки статьи: #квантовая химия, #неорганическая химия, #новые материалы, #физическая химия