Физики изменили зонную структуру кремния с помощью светового импульса

Солнце — один из ключевых источников энергии для «зеленой энергетики», однако современные широкодоступные солнечные панели пока недостаточно эффективны в использовании фотонов для выработки электричества (их КПД не выше 25%). Тонкопленочные солнечные элементы могут решить эту проблему, но материалы для их изготовления либо быстро разрушаются, либо слишком дороги и сложны в производстве. Поэтому кремниевые устройства остаются наиболее интересными для исследователей и производителей.

Кремний, второй по распространенности элемент в земной коре и основа современной электроники, плохо поглощает свет. Это связано с тем, что кремний — непрямозонный полупроводник. Переход электронов между зоной проводимости и валентной зоной в нем сопровождается изменением импульса. Для осуществления электронных переходов в кремнии требуется участие фононов, квазичастиц, квантов колебания.

Международная группа ученых нашла новый подход, способный радикально изменить ситуацию. Оказалось, изменяя свойства света, можно изменить то, как он взаимодействует с веществом. Значит, существующие или оптически «недооцененные» материалы могут показывать свойства, которые раньше считались невозможными. 

«Это как взмах волшебной палочки: вместо разработки новых материалов мы улучшаем свойства существующих, просто изменяя свет», — отметил первый автор нового исследования Дмитрий Фишман.

У фотона, фонона и электрона низкая вероятность одновременного взаимодействия. Это объясняет слабые оптические свойства кремния, что долгое время ограничивало эффективность солнечных панелей. Благодаря фотонам с измененным импульсом кремний можно преобразовать в прямой полупроводник, не изменяя его состав. При этом в 10 тысяч раз увеличивается способность кремния поглощать свет. 

Выявленный учеными феномен меняет представления о взаимодействии света с веществом. Оптические переходы электронов внутри кремния предполагают изменение только энергетического состояния электрона. А фотоны с измененным импульсом могут изменять как энергетическое, так и импульсное состояние электронов, делая возможными новые пути для энергетических переходов частицы.

Открытие позволит уменьшить толщину кремниевых слоев и создать ультратонкие устройства и солнечные панели, которые превзойдут современные по эффективности и доступности. Этот прорыв открывает большие перспективы для оптоэлектроники и качественного улучшения возможностей использования солнечной энергии.

Авторы новой научной работы подчеркнули, что это только начало исследования физики светового ограничения на наномасштабе. Обнаруженный эффект говорит о том, что в теме влияния света на свойства вещества еще есть возможности для фундаментальных открытий.

Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.