Российские ученые выявили новые физические механизмы, многократно усиливающие показатель преломления света в наночастицах. Это открывает перспективы для создания принципиально иных устройств в разных областях техники. В частности, результаты могут лечь в основу солнечных панелей четвертого поколения с рекордными значениями КПД — таких, что дадут возможность эффективно работать даже в отдаленных от Солнца частях космоса. Помимо этого, обнаруженные эффекты создают предпосылки для разработки дешевых гибких дисплеев, новых типов «умных» окон и высокоточных медицинских датчиков.
Как оптические дефекты улучшаю свойства материаловУченые из Казанского федерального университета (КФУ) предложили новый подход к управлению характеристиками материалов с помощью созданных дефектов. Этот метод способен стать основой прорывных решений в областях солнечной энергетики, миниатюрной электроники, точных датчиков и сверхчувствительных сенсоров.
В центре внимания — взаимодействие света со структурами нанометрового размера: квантовыми точками, нанокристаллами, тонкими пленками и другими аналогичными объектами. Исследователи продемонстрировали, почему при уменьшении размеров материала до сверхмалых величин на его границах и в районах с нарушенной структурой фотоны воздействуют на электроны особым образом.
— Традиционно дефекты рассматривали как нечто нежелательное, ухудшающее их свойства. Однако в последние годы всё больше исследований, которые показывают, что нарушения внутренней структуры материала, если научиться ими управлять, помогут развить технологии нового поколения, — рассказал «Известиям» заведующий кафедрой оптики и нанофотоники Института физики КФУ, профессор Сергей Харинцев.
Он пояснил, что в микроскопических объектах при облучении светом (например, лазерным пучком) возникают более сложные эффекты, чем в макроскопических материалах. Ограниченные в размере структуры как бы дают электронам дополнительные импульсы, что меняет их взаимодействие с фотонами. Это приводит, в частности, к возрастанию концентрации свободных зарядов в зоне проводимости и к увеличению показателя преломления — то есть изменению направления распространения света.
— Мы исследовали это на примере золотых частиц размером меньше 5 нм. Оказалось, что их способность преломлять свет возрастает. Особенно в условиях резонанса (когда частота света совпадает с частотой колебаний электронов в частице) этот показатель может увеличиться в 10 и более раз. Также происходит усиление в более широком диапазоне. Кроме того, наблюдаются и другие эффекты, которые вместе приводят к увеличению показателя преломления, — сообщила инженер кафедры оптики и нанофотоники Института физики КФУ Элина Батталова.
По ее оценке, высокий показатель преломления в наноматериалах открывает путь к созданию целого ряда перспективных изделий. Например, прозрачных электродов для дисплеев в «умных» очках или гибких смартфонах, а также для медицинских сенсоров, фиксируемых на коже. Кроме того, это поможет в разработке окон, способных автоматически регулировать поток света и тепла, поступающий в помещение.
Солнечные батареи нового поколенияЕще одно направление применения открытых эффектов — создание солнечных батарей нового типа. Возможно, такие элементы удастся вывести за рамки предела Шокли – Квайсера — теоретически вычисленного максимума КПД при преобразовании света в электричество. Для кремниевых панелей этот порог составляет около 32%, отметила специалист.
По мнению авторов работы, такие панели, в том числе, расширят возможности космической техники и позволят даже небольшим зондами и спутникам нести более мощные научные приборы. Они также могут продлить срок службы аппаратов и обеспечить выполнение длительных миссий на значительном удалении от Солнца, например к дальним планетам.
— Описанные эффекты, действительно, открывают новые пути для инженерии оптики и фотоники в качестве инструментов, которые усиливают взаимодействие между светом и материей. Такие технологии увеличат КПД солнечных батарей путем снижения доли отраженного света и паразитного поглощения, — рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Павел Гостищев.
Вместе с тем, для перехода к практическому использованию потребуется масштабировать воспроизводимую технологию синтеза наночастиц и дефектных структур, где проявляются эти эффекты. Понадобится также разработать методы внедрения таких структур непосредственно в состав солнечных элементов, добавил эксперт.
В настоящее время ученые ищут пути повышения эффективности солнечных панелей, отметил он. При этом для того, чтобы превысить предел Шокли – Квайсера и получить «четвертое поколение» батарей, необходим не только необычайно высокий показатель преломления, но и тщательный учет оптических потерь, стабильности устройств и возможностей производства в больших объемах.
— Ученые КФУ получили результаты, которые могут сыграть важную роль в технологиях будущего. Например, открываются возможности для оптического управления электронами в кремниевых транзисторах, размеры которых приближаются к субнанометровому масштабу. Это станет новым шагом в развитии вычислительной техники. Также открытые эффекты будут востребованы в устройствах быстрой и точной проверки качества кремниевых пластин для микрочипов, — рассказал «Известиям» исполняющий обязанности директора Института физических исследований и технологий РУДН Николай Кравченко.
При этом, чтобы перевести лабораторные наработки в реальные продукты, необходимо проработать коммерческую часть — определить потенциальных потребителей, найти источники финансирования дорогостоящих исследований и наладить сотрудничество с промышленными партнерами, добавил он.