Новая энергетика

Нанопроволочная гелиоэнергетика

Новости - Новости солнечых технологий

Зная солнечную постоянную (~1 кВт/м2) и радиус Земли (~ 6000 км), легко подсчитать, что всего за 40 минут Солнце выдаёт Земле столько энергии, сколько всё человечество потребляет сегодня за год. А на юго-западе США имеется 250000 квадратных миль пустынных земель, где почти круглый год тепло и светло. Если только 10% этой площади покрыть солнечными панелями с кпд 25%, то американцам будут не нужны ни арабская нефть, ни российский газ, ни собственный уголь, ни даже атомные электростанции. Причём абсолютно чистое «солнечное» электричество будет стоить им не больше, чем нынешнее мазутно-газо-угольное (~ 15-17 центов за киловатт-час). В статье подробно описано, что надо сделать правительству США, чтобы достичь поставленной цели к середине текущего века, т.е., как надо правильно потратить полтриллиона долларов. Подсказано даже, как почти незаметно можно изъять эти полтриллиона из толстых кошельков бедных американцев. Насколько известно автору, в «великой энергетической державе» России, никаких таких планов никто не строит. И не потому, что не надо. Может быть, потому, что нет такой большой солнечной территории? Или потому, что сибирской нефти, газа и угля на наш век хватит? Как и в любом супер-перспективном и супер-доходном деле, без волшебной приставки «нано» и в солнечной энергетике не обходится. В данной заметке мы не будем касаться фотоэлектрохи мических преобразователей солнечной энергии, в которых нанопорошки или наногубки из TiO2 (или ZnO, или SnO2) играют ключевую роль (наряду с красителями, которые, собственно, и «усваивают» солнечные фотоны, см. Рис. 2) и которые может смоделировать каждый прямо на собственной кухне, а поговорим о полупроводниковых нанопроволоках (точнее, коаксиальных p-n нанокабелях), которые - в перспективе - обещают превзойти нынешние плоскопараллельные довольно массивные и достаточно дорогие солнечные элементы почти по всем параметрам. В отличие от Остапа Бендера, у физиков есть только два способа сделать нанопроволоку: а) вырастить и б) вытравить. Но, конечно, надо понимать, что и у способа а), и у способа б) существует куча разновидностей. Для того, чтобы представить, о каком массиве информации идёт речь, полезно взглянуть на Рис. 3, который показывает количество журнальных публикаций за 1994-2007 годы по углеродным нанотрубкам и всем прочим нанопроволокам. Показано также, кто вносит наибольший вклад в этот девятый вал информации. Из 13% «прочих» на Россию приходится менее 2%.

Основная физическая идея использования микро - и нанопроволок для изготовления солнечных элементов (СЭ) состоит в том, чтобы расперпендикулярить два процесса: поглощение света (по оси проволоки) и разделение фоторождённых электронно-дырочных пар (по радиусу проволоки). А основной экономический «драйвер» этого подхода заключается в том, что полупроводниковые «усики» можно вырастить на чём угодно, включая стальную ленту - фольгу. И фольга эта гораздо дешевле дефицитного кремния, который составляет основу нынешних солнечных элементов, и половина их стоимости приходится именно на него. Основной механизм потерь в плоских солнечных элементах иллюстрирует Рис. 4, на котором показана электронно-дырочная пара, рождённая солнечным фотоном на расстоянии от p-n перехода, превышающем диффузионную длину электрона в р-базе (Ln) Указанный электрон не дойдёт до р-п-перехода и не даст вклада в фототок, т.е. солнечный фотон будет израсходован напрасно. Поэтому в солнечных элементах .используются полупроводники, у которых диффузионная длина Ln порядка толщины всей р-области или даже превосходит её. А это непросто и, конечно, дорого, потому что материал должен быть весьма совершенным. Но дешёвое совершенство бывает только в сказках, а в реальной жизни для его достижения приходится изрядно попотеть. Снять проблему помогает радиальная организация р-п переходов.

Теперь электрону, рождённому солнечным светом в центральной жиле, надо пробежать совсем немного (порядка радиуса этой жилы, который может составлять всего-то 100-1000 нм), чтобы достичь р-п перхода и выполнить свою полезную функцию - превратить свет в электричество. Поэтому центральная жила может быть изготовлена из совсем плохого полупроводника с очень маленькой диффузионной длиной. А это исключительно важно, поскольку лучше всего кремниевые (и прочие полупроводниковые) нанопроволоки растут из капелек таких металлов, как золото, никель, железо, и все эти металлы, к сожалению, являются «убийцами» диффузионной длины в Si (и прочих полупроводниках).

Есть у нанопроволок и ещё одно важное преимущество. Солнечный свет не только поглощается в полупроводниках, но и не менее успешно отражается от них. И если не принимать специальных мер, то 25-35% солнечных фотонов просто отскочит от пластины кремния, например, вместо того, чтобы поглотиться. Поэтому все плоские солнечные элементы непременно снабжаются антиотражающими покрытиями во избежание таких потерь. А это - отдельная операция и, соответственно, добавка в цену. А вот в нанолесе из нанопроволок солнечный свет за счёт многократных переотражений совсем запутывается и потери на отражение сводятся к минимуму без всяких дополнительных усилий . Конечно, в нанопроволочной гелиоэнергетике есть и свои шедевры. К таковым можно отнести работу , выполненную группой китайских аспирантов под руководством проф.Чарльза Либера из уже упоминавшегося Гарвардского университета США. Они сумели сотворить p-i-n фотоэлемент из одной - единственной кремниевой нанопроволоки.

Для превращения заготовки в работающий p-i-n фотодиод необходимо было «приконтачиться» по отдельности к р - и n-областям, что и было успешно осуществлено с помощью электронной литографии, селективного травления (см. Рис. 8) и неимоверной усидчивости китайских соискателей американских PhD. КПД уникального солнечного элемента составил 3,5±0,2% при засветке, эквивалентной одному Солнцу, 4,1±0,2% - при двух Солнцах и 4,5±0,3% - при пяти. Конечно, это довольно скромные цифры на фоне нынешнего мирового рекорда (40,7%), поставленного матёрыми трёхпереходными солнечными элементами в системе InGaP/InGaAs/Ge при концентрации в 240 Солнц. Максимальная мощность достигала 200 пВт, чего вполне хватило для запитывания нанопроволочного-же сенсора, сделанного в той же группе по такой же технологии. В общем, наносенсорика приобрела и собственный солнечный наноисточник энергии. То ли ещё будет! И совсем недаром со страниц журнала «Physics Today» в июле с.г. прозвучал призыв - «подключись к Солнцу!», а его обложку украшало изображение солнечной панели.