Александр Гудовских: Наше исследование – кирпичик на пути совершенствования солнечной энергетики

Физики из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и Алферовского университета синтезировали многослойный наноразмерный материал, который в будущем может стать основой для высокоэффективных солнечных элементов.

Солнечная энергетика (фотовольтаика) сегодня является одним из перспективных видов альтернативной энергетики. Она обеспечивает безопасность для окружающей среды в процессе генерации, а кроме того, имеет условно неисчерпаемый источник энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.

Однако современные типы устройств для фотовольтаики, которые создаются из недорогого и широко доступного полупроводникового материала – кремния, приближаются к пределу своих характеристик по способности преобразовывать энергию. В этих условиях ученые разных стран исследуют новые типы материалов для фотовольтаики, а также методы их получения, которые можно применить в промышленном производстве солнечных элементов.

— Мы синтезировали микрокристаллические многослойные структуры из фосфида галлия (GaP) на кремниевой подложке, для создания упорядоченной структуры использовался метод атомно-слоевого осаждения. Характеристики полученных композитов дают нам выигрыш в несколько процентов КПД в способности преобразовывать энергию в сравнении с аналогичными материалами – это достаточно весомый результат по меркам фотовольтаики, – рассказал профессор кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ведущий научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии Алферовского университета Александр Гудовских.

В качестве подложки для материала ученые использовали кремний с дырочным типом проводимости (p-тип) – оказалось, что синтезированные на его основе композиты получаются более стойкими к различным агрессивным средам, например, к условиям космоса. Затем подложка была помещена в специальную камеру, из которой откачали воздух для создания вакуума. После этого в камеру при температуре до 400 градусов последовательно подавались газовые смеси, содержащие атомы галлия и фосфора.

Элементы III и V группы поэтапно осаждались на кремниевую подложку, причем созданные условия позволили ученым достичь эпитаксиального роста. То есть рост структуры происходил не хаотично, а упорядоченно: к каждому атому кремния присоединялся атом галлия. После чего в камеру подавался фосфин, который разлагался до фосфора в плазме тлеющего разряда, который затем встраивался в композит. Слои фосфида галлия, толщина которых составляла 10-20 нанометров (1 нанометр равен миллионной части миллиметра), чередовались с очень тонкими слоями кремния (3-5 нм).

Изучение основных характеристик полученного многослойного материала, в частности, его проводимости, дефектов различных слоев, концентрацию носителей заряда, проводилось при помощи таких методов, как спектроскопия полной проводимости, нестационарной спектроскопии глубоких уровней и метода вольт фарадного профилирования. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Physics D: Applied Physics.

— Данное исследование является одним из “кирпичиков” на пути нашего строительства нового более эффективного и прочного класса элементов для солнечной энергетики. Конечно, на основе созданных материалов мы уже получили только первые прототипы солнечных элементов. Однако главная задача – прийти к созданию конкретного прибора, который можно было бы внедрить в промышленное производство солнечных элементов, – пояснил Александр Гудовских.

Сейчас ученые продолжают подбирать параметры синтеза, чтобы улучшить характеристики композитного материала. Кроме того, ведутся работы по методам создания контактов для наноразмерного солнечного элемента. Проект поддержан грантом Российского научного фонда (№ 17-19-01482-П).