Технический прогресс и экономика (стр. 6 )

Солнечная энергетика. Из-за государственной поддержки отрасли, солнечная энергетика стала самой быстрорастущей отраслью мировой экономики, которую не остановил кризис 2008 г. К 2031 г. в мире планируется иметь совокупную уста-новленную мощность электрогенераторов на солнечной энергии 1700 ГВт (в 2009 г. общемировое производство составило 7,4 ГВт, а в 2011 г. – 30 ГВт). Солнечные элементы (СЭ) на основе GaAs первоначально использовались только для бортового питания космических спутников. В 2010 г. появился заметный рынок наземной солнечной энергетики на основе соединений А3В5. Динамика роста производства СЭ на основе GaAs приведена на рис. 8.

Рис.8 Динамика рынка солнечной энергетике на GsAs\Ge.

Заключение

С начала 2000-х гг. потребление галлия падало. Начиная с 2010 г. отмечается рост одновременно таких секторов потребления галлия как мобильная телефония, солнечная энергетика, светодиодные системы освещения. Все это ведет к росту потребления галлия, который продолжится, как минимум, до 2020 г. (рис. 9).

Рис. 9.

Представляется, что на фоне растущего спроса, избыток мощностей для получения и переработки галлия, который был накоплен в предыдущие годы, быстро исчерпает себя. Следует отметить, что вследствие огромного объема мировых запасов бокситов их значительная часть не будет добываться еще в течение многих десятилетий, следовательно, в краткосрочной перспективе не будет доступа к наибольшей части содержащегося в них галлия.

Однако принципиальных сырьевых ограничений в среднесрочной перспективе не предвидится ? ежегодно для нужд алюминиевой промышленности из недр земли извлекаются и перерабатываются бокситы, теоретически содержащие свыше 3 тыс. тонн галлия (если принять среднее содержание галлия ~ 50 г/тонну), поэтому галлий не станет лимитирующим элементом для  развития СЭ на основе GaAs.

Литература

1. Перспективы рынка галлия в 2007 - 2010 гг.//Цветная металлургия, 2007, № 3, с. 21 - 27.

2. US Geological Survey Publications, http://minerals. usgs. gov.

3. Gallium. Ch in Mineral Commodity Summaries, U. S. Bureau of Mines Bulletin 675, 1995.

4. Historical Statistics for Mineral Commodities in the United States. Open File Report OF-01-006, version 6.4, 2003. http://minerals. usgs. gov.

5. и др. Редкие и рассеянные элементы, т. III, М., МИС и с. 2003.

6. Alex Iasnikov. The outlook for gallium and indium in the electronics sector//The International Minor Metals Conference (MMTA), May 4 - 6, 2011,  Philadelphia, PA, USA.

_________?_________

       пРОБЛЕМЫ, ПОИСКИ, РЕШЕНИя        

АНАЛИЗ РАБОТЫ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ

  ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ  ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

•

НПП "Квант"

Наноструктурирование материалов в том числе и полупроводниковых, введение в них наноструктурных элементов позволяет в более широком диапазоне влиять на их электрофизические и многие другие свойства, чем при обычном легировании [1]. Это становится в настоящее время наиболее эффективным способом увеличения КПД термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). КПД обычных ФЭП с р/n переход в существенной мере определяется шириной запрещенной зоны, ?Е, позволяющей превратить в электрическую энергию лишь определенную часть солнечного излучения, которое активирует электроны на энергетические состояния края зоны проводимости. Электроны, получившие большую энергию, теряют её избыток на рекомбинационное излучение и нагрев кристаллической решетки. Таким образом, максимально возможная величина КПД таких ФЭП определяется отношением ?Е к Ев – энергии выхода электронов в вакууме. Так, КПД преобразователей на основе монокристаллического кремния не может превышать 20 - 25 %, так как его ?Е = 1 эв, а Ев около 4,5 - 5 эв. Последовательный  набор  слоев полупроводникового  материала с увеличивающейся величиной ?Е позволяет расширить диапазон полезного поглощаемого солнечного излучения и приводит к соответствующему увеличению КПД. Примером этому являются создание с помощью нанотехнологий тонкослойных гетероструктур, ГС,  КПД которых достигает 35 - 40 %. Они интересны тем, что на границах слоев могут быть созданы двумерные структуры, электроны в которых обла-дают аномально высокими подвижностями, u, достигающими величин 5-1000 м2/Вс [2]. Нанотехнологии также позволяют создавать в веществах наноструктуры, обладающие люминисцентными свойствами.

Увеличение u носителей на границах слоев ГС структуры обусловлено тем, что они могут двигаться  без рассеяния на примесных атомах за счет введения нелегированного слоя (спейсера) толщиной несколько нанометров. Эта особенность таких структур в настоящее время активно изучается и применяется в различного вида устройствах, которые начинают обладать уникальными свойствами и быстродействием.

Аномально высокие подвижности носителей электрического тока имеют место и в других наноструктурах, которые характеризуются увеличением межатомных расстояний, d, на пример в ориентированных дислокациях, микро - и нанопорах. Высокие подвижности  до 5 м2/Вс наблюдались в микропорах термокатодов [3]. В них носители практически не испытывали рассеяния на колебаниях решетки вещества матрицы. Повышение температуры, T, термокатодов приводило к одновременному  увеличению их удельной электропроводности, ?, термо-э. д.с., ?. и концентрации носителей электрического тока, n. Такое поведение этих параметров ультрапористого вещества позволяет сделать вывод о возможности существенного увеличения его термоэлектрической эффективности, Z, [1]. Введение подобных наноструктур в материалы ФЭП также должно привести к увеличению их КПД. Этот вывод основывается на том, что поведение ?, ?, n при повышении T ультрапористого материала термокатодов обусловлено эмиссией электронов в поры. Аналогичная эмиссия с не меньшим успехом может быть обеспечена за счет электромагнитного излучения. При соответствующем наноструктурировании вещества ФЭП его наноструктуры  могут преобразовывать это излучение в электрическую энергию параллельно с веществом матрицы ФЭП. КПД преобразования наноструктур будет зависеть от их энергетического электронного спектра. При достижении согласования преобразующих свойств наноструктур и матричного вещества КПД наноструктурированного преобразователя  электромагнитного излучения увеличится.

Энергетический спектр наноструктур может существенно отличаться от энергетического спектра вещества матрицы. Это отличие обусловлено тем, что электронные состояния атомов в них  перекрываются на больших расстояниях, чем в самом матричном веществе. Связывающие электронные состояния поверхностных атомов наноструктур начинают перекрываться несимметричным образом [4]. Их энергетическое положение относительно вакуума меняется, так как изменяется кратность связи и энергия межатомного взаимодействия. В наноструктурах они уменьшаются и  их энергетическое положение приближается к энергетическому положению состояний вакуума. Согласно оценкам приведенным в [5] отщепление связывающих электронных состояний при увеличении межатомного расстояния, d, на 20 % достигает 2 эв. Однако эта оценка проведена без учета перекрытия в пространстве нанопор энергетических состояний соседних поверхностных атомов, а также без учета участия во взаимодействии дополнительных энергетических состояний, которое, на пример в теллуриде германия, уменьшает энергетический зазор до 0,1 эВ [6]. У приповерхностных атомов вещества матрицы имеет место обратное явление. Увеличение  кратности связи из-за несимметричного перекрытия электронных связывающих состояний приведет к периодическому  уменьшению (увеличению)  d и увеличению (уменьшению) ?Е. Такое поведение d и ?Е наблюдается экспериментально [7]. Таким образом, оптические свойства наноструктурированного вещества приобретут качественно новые свойства. Спектр полезного поглощаемого излучения увеличится, что при применении соответствующей технологии должно привести к увеличению КПД преобразователей на их основе.

В качестве технологического приема  увеличивающего КПД целесообразно применить нанесение на подложку  нанополос матричного вещества, разделенных нанозазорами. Конфигурации нанополос и нанозазоров может быть оптимизирована для регулирования величины эмиссии электронов в нанозазоры и увеличения спектра поглощаемого полезного излучения. Оптимизацией регулируемых зазоров можно получить направленный поток эмитированных электронов из-за возникновения разницы в их концентрации. Его величина может быть увеличена за счет контактной разницы потенциалов, например, электродов служащих для снятия электрического напряжения с ФЭП.

Как уже было отмечено, роль наноструктур в веществе преобразователей энергии этим не исчерпывается.  Переходы (рекомбинация) возбуждённых электронов за счет коротковолнового излучения неэффективно преобразуемое в электрическую энергию с энергетических состояний наноструктур на энергетические состояния вещества матрицы могут приводить к проявлению стоксовой люминисценции, которая наиболее сильно может проявляться в тонкодисперсных пористых материалах. Время высвечивания определяется количеством возбужденных на энергетические состояния пор и межзёренных границ электронов и временем их жизни, которое зависит  от степени дискретности этих энергетических состояний. Такая люминисценция  преобразует жесткое коротковолновое излучение в более длинноволновое, которое может быть более эффективно преобразовано в электрическую энергию. Источником такой люминисценции могут служить наноструктуры создаваемые в материалах ФЭП в виде нанопор, границ, дислокаций или даже в веденных специальных частиц люминисцирующего вещества. Такие наноструктуры могут быть введены в материалы служащие для защиты ФЭП от жесткого излучения или космических частиц.

Однако в наноструктурированных материалах может иметь место и антисток-совая люминисценция, т. е. более короковолновое излучение относительно поглоща-емого. Оно становится возможным за счет  перехода электронов с энергетических состояний наноструктур на энергетические состояния расположенные выше края зоны проводимости матричного вещества. Эти переходы возможны как за счет внешнего излучения, так и за счет энергии рекомбинируемых электронов из зоны проводимости матричного вещества. Таким образом, рекомбинация возбужденных электронов  с высоко расположенных энергетических состояний  в валентную зону матричного вещества приведет к возможности возникновения  более коротковолнового электромагнитного излучению, чем поглощаемое. Также как  и в случае использования стоксовой люминисценции, антистоксовая люминисценция может послужить повышению КПД ФЭП. Её применение может повысить эффективность поглощения неиспользуемого длинноволнового излучения как падающего, так и прошедшего сквозь материалы ФЭП.