CC BY
12XVII Всероссийская с международным участием школа - семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых имени академика А.Г. Мержанова
ЛАЗЕРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
И СВЕТОИЗЛУЧАТЕЛЕЙ САМООРГАНИЗАЦИЕЙ НАНОСУСПЕЗИЙ
Винокуров1 С.А., Коломиец2 А.А. школьник, Классен1 Н.В.
1- Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, sergvin@issp. ac. ru
2- Средняя школа № 45, Ямкино
DOI: 10.24411/9999-004A-2019-10053
В настоящее время климатические катаклизмы, которые происходят все чаще, многократно обострили актуальность экстренного развития альтернативной систем производства энергии и экономичных энергопотребляющих устройств - осветительных приборов и т.д. Полупроводниковые солнечные батареи, которые превалируют сейчас в области альтернативной энергетики, пока не могут обеспечить достаточно низкую себестоимость производства электроэнергии, которая могла конкурировать с углеводородными системами. Это обусловлено сложностями производства полупроводниковых солнечных батарей: выращивание высокочистых крупногабаритных монокристаллов кремния, происходящее при высокой температуре, распиловка этих кристаллов на тонкие пластины алмазными пилами, термодиффузионная обработка этих платин и т.д. - довольно энергоемкие и время-затратные процедуры. В то же время — это производство не относится к экологически чистым - например, для получения кремния его двуокись восстанавливается при высокой температуре углеродом. В результате этого образуется большое количество углекислого газа (по весу сопоставимое с количеством произведенного кремния), который и является основным загрязнителем атмосферы в случае углеводородной энергетики. Нами развиваются альтернативные методики изготовления солнечных батарей и других электронных устройств, основанные на самоорганизации регулярных наноструктур в суспензиях, представляющих собой композиции из связующей жидкости и функциональных нано- и микро-размерных наполнителей органической или неорганической природы. При изготовлении солнечных батарей используются зеленые компоненты растений - листья или трава. Их главным функциональным компонентом являются микрочастицы хлоропластов, включающие в себя молекулы хлорофилла. При поглощении видимого света в хлоропластах происходит разделение отрицательных и положительных зарядов (электронов и протонов), используемое для фотосинтеза веществ, обеспечивающих питание растения. Но, с другой стороны, разделение электрических зарядов - основной элемент любого способа производства электроэнергии. Но в зеленой массе эффективность разделения зарядов
XVII Всероссийская с международным участием школа - семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых имени академика А.Г. Мержанова
составляет более 90% от поглощенной световой энергии, в то время как в лучших полупроводниковых преобразователях она не превышает 50 %. Посредством облучения зеленой массы растений лазерами умеренной мощности в присутствии электрического поля удается осуществить три операции, позволяющие создать на этой основе эффективные солнечные батареи: а) образование электрически полярных мембран, на одной стороне которых светом накапливаются отрицательные заряды, а на другой - положительные, б) формирование из этих мембран ориентированных стопок размерами в десятки микрон, приобретающих при освещении электрические дипольные моменты. в) самоорганизация этих микростопок в периодические структуры оптических масштабов. Совокупность трех этих параметров обеспечивает накопление светового потока внутри структуры микростопок за счет образования стоячих световых волн и эффективное превращение накопленных фотонов в электродвижущую силу за счет их поглощения хлорофиллами и вынос положительных и отрицательных зарядов на торцы стопок. Такого вида солнечная батарея должна быть значительно дешевле существующих сейчас, т.к. в ее производстве используются широко распространенные материалы и не требуется каких-либо дорогостоящих методик и больших энергозатрат.
Лазерное формирование регулярных микроструктур типа фотонных кристаллов, помимо сильно удешевленных солнечных батарей, перспективно для производства светодиодных осветителей и сцинтилляционных преобразователей ионизирующих излучений в световые сигналы для высокочувствительных радиационных детекторов нового поколения. Такие детекторы способны обеспечить экспрессную рентгеновскую микроскопию биологических объектов (включая человеческий организм) с минимальными дозами облучения, позволяющими непрерывно наблюдать происходящие в организмах процессы.
