Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) разработали технологию, позволяющую создавать фотоэлементы почти из любого известного полупроводника, что потенциально может привести к лавинообразному снижению стоимости солнечных батарей.

Среди новых возможных материалов для фотоэлементов фигурируют недорогие оксиды металлов, сульфиды и фосфиды, ранее считавшиеся непригодными для этой роли.

Фотоэлементы, созданные по новой технологии — на оксиде меди (А) и графене (В) — демонстрируют высококачественные р-n-переходы без всякого допирования. (Иллюстрация William Regan.)

Современные фотоэлементы высокой эффективности самостоятельно базируются на полупроводниках, эффективно поглощающих фотоны и испускающих при этом электроны. Они бывают кремниевые либо тонкоплёночные из теллурида кадмия или на базе индия и галлия. Кристаллический кремний дорог; об стальных элементах можно сказать только то, что они редки и ещё дороже. Хотя нет, они ещё и ядовиты, а их утилизация очень сложна.

Не секрет, что именно цена, несмотря на своё примерно десятикратное снижение за последнее десятилетие, всё ещё остаётся основным фактором, не позволяющим фотоэлементам эффективно конкурировать с тепловой энергетикой.

Новая технология называется «Фильтрующие фотоэлементы на полевом эффекте» (SFPV), поскольку использует воздействие электрического поля на полупроводник, при котором количество носителей заряда в полупроводнике резко возрастает. Частично фильтрующий верхний электрод позволяет электрическому полю затвора в достаточной степени проникать в электрод, более однородно регулировать концентрацию носителей заряда в полупроводнике и вызывать p-n-переход. Это приводит к образованию высокоэффективных p-n-переходов, недостижимых методом обычного химического допирования.

«Нашей технологии нужен единственный электрод и затвор; она не нуждается в высокотемпературном химическом допировании, внедрении ионов или других дорогостоящих процессах», — подчёркивает ведущий разработчик Уильям Риган.

Уилл Риган (справа) и его коллега Алекс Зеттл у образца фотоэлемента нового типа (фото Roy Kaltschmidt).

Авторы поработали с двумя архитектурами фотоэлемента: тип А (на основе оксида меди), с контактами электрода, выполненными в виде тонких «ножек», и тип В (на основе кремния), с контактами в виде одноатомного слоя графена. В обоих случаях с р-n-переходом всё было хорошо.

Кроме того, и это особенно важно, исследователям удалось продемонстрировать конфигурацию с автономной подпиткой затвора, где электрическое поле, позволяющее использовать в фотоэлементе почти любые проводники, питалось от энергии, вырабатываемой самим фотоэлементом. В таких фотоэлементах, как и в обычных, не понадобятся внешние источники электрического поля, что упростит их применение.