БЕРКЛИ, Калифорния - Исследователи из отдела материаловедения (MSD) Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, работающие с группами по выращиванию кристаллов в Корнельском университете и японском университете Рицумейкан, узнали, что ширина запрещенной зоны полупроводникового нитрида индия составляет не 2 электрон-вольта (2 эВ), как считалось ранее, а гораздо ниже 0,7 эВ.
Это счастливое открытие означает, что единая система сплавов, включающая индий, галлий и азот, может преобразовывать практически весь спектр солнечного света - от ближнего инфракрасного до дальнего ультрафиолетового - в электрический ток.
«Как будто природа специально создала этот материал, чтобы он соответствовал солнечному спектру», - говорит Владек Валюкевич из MSD, руководивший открытием.
То, что начиналось как основной исследовательский вопрос, указывает на потенциальное практическое применение, имеющее большое значение. Ведь если из этого сплава удастся изготовить солнечные элементы, они обещают быть прочными, относительно недорогими и самыми эффективными из когда-либо созданных.
В поисках большей эффективности
Многие факторы ограничивают эффективность фотогальванических элементов. Например, кремний дешев, но при преобразовании света в электричество он тратит большую часть энергии в виде тепла. Наиболее эффективными полупроводниками в солнечных элементах являются сплавы, изготовленные из элементов из группы III периодической таблицы, таких как алюминий, галлий и индий, с элементами из группы V, такими как азот и мышьяк..
Одним из наиболее фундаментальных ограничений эффективности солнечных элементов является ширина запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен элемент. В фотогальваническом элементе материал с отрицательной примесью (n-типа) с дополнительными электронами в пустой в противном случае зоне проводимости образует соединение с материалом с положительной примесью (p-типа) с дополнительными дырками в зоне, в противном случае заполненными валентными электронами. Входящие фотоны правильной энергии - то есть правильного цвета света - выбивают электроны и оставляют дырки; оба мигрируют в электрическом поле соединения, образуя ток.
Фотоны с меньшей энергией, чем ширина запрещенной зоны, проскальзывают насквозь. Например, фотоны красного света не поглощаются полупроводниками с широкой запрещенной зоной. В то время как фотоны с энергией выше ширины запрещенной зоны поглощаются - например, фотоны синего света в полупроводнике с малой шириной запрещенной зоны - их избыточная энергия тратится впустую в виде тепла.
Максимальная эффективность солнечного элемента, изготовленного из одного материала, может быть достигнута при преобразовании света в электрическую энергию, которая составляет около 30 процентов; наилучшая фактически достигнутая эффективность составляет около 25 процентов. Чтобы добиться большего, исследователи и производители укладывают различные материалы с запрещенной зоной в многопереходные ячейки.
Десятки различных слоев могут быть наложены друг на друга, чтобы улавливать фотоны всех энергий, достигая эффективности выше 70 процентов, но возникает слишком много проблем. Например, когда кристаллические решетки слишком сильно различаются, деформация повреждает кристаллы. Самый эффективный из когда-либо созданных многопереходных солнечных элементов - 30% из возможных 50% - имеет всего два слоя.
Дразнящая зацепка
Первый ключ к более легкому и лучшему пути появился, когда Валукевич и его коллеги изучали противоположную проблему - не то, как полупроводники поглощают свет для создания электроэнергии, а то, как они используют электричество для излучения света.
«Мы изучали свойства нитрида индия как компонента светодиодов, - говорит Валукевич. В светоизлучающих диодах и лазерах фотоны испускаются, когда дырки рекомбинируют с электронами. Светодиоды красного света известны уже несколько десятилетий, но только в 1990-х появилось новое поколение широкозонных светодиодов, способных излучать свет в синей части спектра.
Новые светодиоды были изготовлены из нитрида индия-галлия. Нитрид галлия с шириной запрещенной зоны 3,4 эВ излучает невидимый ультрафиолетовый свет, но когда часть галлия заменяется индием, возникают такие цвета, как фиолетовый, синий и зеленый. Исследователи из лаборатории Беркли предположили, что тот же сплав может излучать волны с большей длиной волны, если увеличить долю индия.
«Но даже несмотря на то, что ширина запрещенной зоны нитрида индия, как сообщается, составляет 2 эВ, никто не может получить из него свет при 2 эВ», - говорит Валукевич. «Все наши усилия провалились».
Ранее ширина запрещенной зоны измерялась на образцах, созданных методом распыления, при котором атомы компонентов выбиваются из твердой мишени пучком горячей плазмы. Если бы такой образец был загрязнен примесями, такими как кислород, ширина запрещенной зоны сместилась бы.
Чтобы получить наилучшие образцы нитрида индия, исследователи лаборатории Беркли работали с группой из Корнельского университета, возглавляемой Уильямом Шаффом, известным своим опытом в области молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), а также с группой в Рицумейкане. Университет возглавляет Ясуси Наниши. В МЛЭ компоненты осаждаются в виде чистых газов в высоком вакууме при умеренных температурах в чистых условиях.
Когда исследователи лаборатории Беркли изучали эти исключительно чистые кристаллы, они все еще не излучали свет при 2 эВ. «Но когда мы посмотрели на нижнюю часть запрещенной зоны, вдруг стало много света», - говорит Валукевич.
Соавторы вскоре установили, что ширина запрещенной зоны сплава плавно и непрерывно увеличивается по мере смещения пропорций от индия к галлию, пока, охватив все части солнечного спектра, она не достигнет хорошо установленного значения 3,4 эВ. для простого нитрида галлия.
Многообещающие признаки
На первый взгляд, нитрид индия-галлия не является очевидным выбором для солнечных батарей. Его кристаллы испещрены дефектами, сотнями миллионов и даже десятками миллиардов на квадратный сантиметр. Обычно дефекты портят оптические свойства полупроводника, захватывая носители заряда и рассеивая их энергию в виде тепла.
Исследуя светодиоды, исследователи из лаборатории Беркли обнаружили, что способ соединения индия с галлием в сплаве оставляет богатые индием концентрации, которые удивительно эффективно излучают свет. Такая устойчивость к дефектам в светодиодах дает надежду на аналогичные характеристики в солнечных элементах.
Для использования почти идеального соответствия сплава спектру солнечного света потребуется многопереходная ячейка со слоями разного состава. Валюкевич объясняет, что «совпадение решеток обычно является убийцей» в многопереходных ячейках, «но не здесь. Эти материалы могут приспосабливаться к очень большим несоответствиям решеток без какого-либо существенного влияния на их оптоэлектронные свойства».
Два слоя нитрида индия-галлия, один из которых настроен на ширину запрещенной зоны 1,7 эВ, а другой на 1,1 эВ, могут обеспечить теоретическую 50-процентную максимальную эффективность для двухслойной многопереходной ячейки. (В настоящее время никакие материалы с такой шириной запрещенной зоны нельзя выращивать вместе.) Или можно сложить большое количество слоев с небольшими различиями в запрещенной зоне, чтобы приблизиться к максимальной теоретической эффективности лучше, чем 70 процентов.
Пока неясно, можно ли изготовить версию p-типа нитрида индия-галлия, подходящую для солнечных элементов. И здесь успех светодиодов из того же сплава вселяет надежду. Ряд других параметров также предстоит установить, например, как далеко носители заряда могут пройти в материале, прежде чем они будут реабсорбированы.
Преимуществ нитрида галлия индия много. Он обладает огромной теплоемкостью и, как и другие нитриды III группы, чрезвычайно устойчив к радиации. Эти свойства идеально подходят для солнечных батарей, питающих спутники связи и другие космические аппараты. А как насчет стоимости?
«Если это сработает, стоимость должна быть того же порядка, что и светофоры», - говорит Валюкевич. "Может, меньше." Солнечные батареи, такие эффективные и относительно дешевые, могут произвести революцию в использовании солнечной энергии не только в космосе, но и на Земле.
The Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, штат Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом.
Дополнительная информация
«Влияние узкой запрещенной зоны на свойства InN», авторы J. Wu, W. Walukiewicz, W. Shan, KM Yu, JW Ager III, EE Haller, Hai Lu и William J. Schaff, опубликовано в журнале Physical Review B, 15 ноября 2002 г.
Об исследованиях нитрида индия-галлия также сообщается в «Необычных свойствах фундаментальной ширины запрещенной зоны InN» Ву, Валукевича, Ю, Агера, Халлера, Лу, Шаффа, Йошики Сайто и Ясуши Наниши, Applied Physics Letters, 27 мая 2002 г., и в «Изгиб малой запрещенной зоны в сплавах In1-xGaxN» Ву, Валукевича, Ю, Агера, Халлера, Лу и Шаффа, Applied Physics Letters, 24 июня 2002 г.
Подробнее о новых фотоэлектрических материалах полного спектра -