Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную энергию
Британские физики предложили способ повышения эффективности современных солнечных батарей за счет локального сдавливания полупроводниковых кристаллов при облучении их светом. Сдавливание материала приводит к возникновению в нем градиента механического напряжения и становится причиной впервые обнаруженного флексо-фотовольтаического эффекта, который наблюдается во всех известных полупроводниках, включая кремний, пишут ученые в Science.
Для всех современных солнечных батарей максимальная эффективность преобразования энергии падающего на них света в электрический ток имеет теоретический предел. Например, КПД любых однослойных солнечных элементов, состоящих из одного p-n-перехода, ограничивается пределом Шокли — Квайссера, который определяется долей солнечного света, поглощаемого фотоэлементом, и составляет около 34 процентов. Чтобы преодолеть этот предел, ученые предлагают различные способы, например, используют для проводимости так называемые горячие носители заряда, которые появляются в полупроводнике при поглощении света с энергией больше ширины запрещенной зоны.
В материалах, у кристаллической структуры которых отсутствует центральная симметрия (например, пьезо- или сегнетоэлектриках), преобразовать дополнительную энергию света в электрический ток также удавалось за счет аномального фотовольтаического эффекта, при котором фотовозбужденные электроны в материале имеют разную подвижность в разных направлениях. Из-за этого при поглощении света электрон смещается вдоль одной из осей кристалла, после чего в результате безызлучательного перехода спускается на соседний валентный уровень и становится способен вновь поглощать свет, смещаясь дальше. В результате возбуждения такого «тока смещения» материал может поглощать свет с энергией, во много раз превосходящую ширину запрещенной зоны.
Британские физики из Уорикского университета под руководством Марина Алекса (Marin Alexe) показали, что за счет аномального фотовольтаического эффекта можно повысить КПД не только сегнетоэлектриков с нарушенной центрально симметрией, но и любых полупроводников, включая в том числе самый распространенный в солнечных батареях материал — кремний. Для этого ученые предложили локально деформировать облучаемую поверхность отдельного полупроводникового кристалла, используя флексоэлектрический эффект, за счет которого градиент механического напряжения приводит к поляризации материала. В эксперименте ученые деформировали поверхность кристалла с помощью иголки атомного силового микроскопа или специального устройства для микровдавливания (microindentation) с силой до 15 микроньютонов. Деформируемая область облучалась лазером с длиной волны 405 нанометров.
Ученые проверили предложенный метод на трех монокристаллах с выраженной центральной симметрией: оксиде титана(IV), титанате стронция и кремнии, освещая деформированный участок короткими лазерными импульсами. Оказалось, что для всех материалов предложенная схема приводит к возбуждению гигантского для этих кристаллов фототока — до нескольких десятков пикоампер при нагрузке 15 микроньютонов. При этом, например, плотность тока увеличивалась примерно на два порядка при повышении силы нажатия от 1 до 15 микроньютонов.
Обнаруженное явление, к которому привели одновременные флексоэлектрический и аномальный фотовольтаический эффекты, ученые назвали флексо-фотовольтаическим эффектом. Авторы работы считают, что его использование может значительно повысить эффективность тех полупроводниковых материалов, которые сейчас используются в солнечных батареях.
Другой способ поднять эффективность фотоэлементов выше теоретического предела — увеличить время жизни горячих носителей заряда, которые образуются в полупроводнике при поглощении фотонов с энергией больше ширины запрещенной зоны. Например, недавно химикам удалось довести время жизни горячих электронов в перовскитных батареях до нескольких наносекунд, что подняло теоретический предел их эффективности с 34 сразу до 66 процентов.
Александр Дубов
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.