Группа ученых из Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН совместно с ЗАО «Экран ФЭП» создали новый тип вакуумного фотодиода, который позволяет эффективно преобразовывать свет в электричество и перспективен для использования в солнечной энергетике, особенно при размещении устройств в космосе. Результаты этой работы опубликованы в журнале Scientific Reports, популярно о разработке рассказывает издание СО РАН «Наука в Сибири».

При преобразовании света в электричество ученые, как правило, сталкиваются с двумя проблемами: как выбить много электронов и как собрать и заставить их двигаться в одном направлении, поскольку если электроны мечутся по полупроводнику бесцельно, он просто нагревается. 

Как поясняется в сообщении, ученые предложили использовать в качестве преобразователя вакуумный фотодиод. Его отличие от других преобразователей в том, что полупроводниковые электроды не соприкасаются, а находятся на определенном расстоянии друг от друга в вакууме. Как поясняется в сообщении преимущество этого выбора в том, что можно сделать  катод и анод разными по структуре и составу элементов, не ориентируясь на то, как они будут сочетаться между собой. Исследователи ИФП СО РАН предложили упростить электронам выход в вакуум за счет состава и структуры катода: они использовали арсенид галлия, покрытый одним слоем атомов цезия и кислорода. У такого электрода очень низкая работа выхода — около 1 эВ (для сравнения: у большинства материалов показатель составляет 4—6 эВ), это значит, что электрон можно извлечь в вакуум, затратив предельно малую энергию. То есть при использовании таких структур электроны выбиваются проще (не нужно греть катод или подавать напряжение).



В ходе эксперимента ученые направили на электрод световой поток в диапазоне длин волн 350—900 нм - именно на этот диапазон приходится максимум солнечной энергии излучения. После светового воздействия в цепи возник электрический ток без приложения разности потенциалов между электродами.

Как отмечают исследователи, теоретический коэффициент полезного действия фотодиода сравним с квантовой эффективностью фотокатода — это количественная мера, показывающая разницу между тем, сколько фотонов материал поглотил, и сколько при этом испустилось электронов. При использовании электродов нового типа коэффициент составил 50 % и выше.
 
Как полагают ученые, применение фотоэмиссионных преобразователей в перспективе позволит конкурировать с используемыми сейчас многокаскадными полупроводниковыми, особенно для применения в космосе. Также исследование окажется полезным для создания других приборов.

«Помимо прикладного значения, в таком приборе оказалось возможным изучать очень богатую физику фотоэмиссии низкоэнергетических электронов, а также процессы инжекции свободных спин-поляризованных электронов. На базе изготовленного вакуумного фотодиода можно создать детектор спин-поляризованных электронов с пространственным разрешением, что в свою очередь пригодится в электронных спектрометрах для получения информации о зависимости энергии электронов в кристалле от его импульса и спиновой поляризации», — приводятся в сообщении слова научного сотрудника Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, доктора физико-математических наук Олега Терещенко.