У промисловості високих технологій по колишньому запорукою успіху високотехнологічного інноваційного продукту є застосування високоефективних мікроелектронних компонентів

При цьому незмінними залишаються базові технічні вимоги до вказаних компонентів, основними з яких є максимально можлива микроминиатюризация, максимально можлива надійність, стійкість до зовнішніх впливів, простота технологічного процесу виготовлення і невисока вартість

В першу чергу звернемося до досліджень, що відкриває шлях до створення принципово нових джерел живлення, як найважливіших компонентів мікроелектронних систем

Розробники нової техніки як правило в сьогоднішніх умовах, які диктують повсюдну економію електроенергії та максимально можливе застосування так званих зелених технологій, в основному характеризуються отриманням електроенергії від сонячного світла

Кремній, як базовий матеріал для сонячних батарей стає все більш дефіцитним і це визначає цінність наступних досліджень і експериментів

Фізики з Університету Пенсільванії створили тонкі кремнієві оптичні волокна, які здатні вловлювати світло і виробляти з нього електрику. Робота вчених опублікована в журналі Advanced Materials, а її короткий зміст наводиться в прес-релізі університету.

Початково команда авторів працювала над проблемою з'єднання оптичних волокон з плоскими кремнієвими мікросхемами. Однак, в ході дослідження з'ясувалося, що на основі кремнію можна створити волокна з інтегрованими електронними компонентами.

На поперечному зрізі видно, що волокна фактично складаються з трьох класичних напівпровідникових зон. При опроміненні світлом, такі волокна генерують електрику, хоча ефективність цього процесу в повідомленні не вказується.
Завдяки своїй тонкощі (їх діаметр становить близько 10 мікрометрів), волокна можуть не повреждаясь, легко згинатися. Автори сподіваються, що такі волокна можна буде сплітати в нитки для створення електрогенеруючих тканин. На даний момент довжина виготовляються волокон становить близько метра, але, за словами дослідників, може бути збільшена до 10 метрів.

Переважна більшість існуючих сонячних панелей створюються з кристалічного або аморфного кремнію. Останній допускає створення пристрою з деяким рівнем гнучкості.

Ефективність перетворення світла в електрику кращих з сонячних батарей становить на даний момент близько 40 відсотків. Також, зараз активно ведуться розробки панелей, де вуглецеві нанотрубки і графен частково або навіть повністю замінюють кремній і металеві електроди.

Постійно посилюються вимоги до зфотоелектронні системам і пристроям, змушують шукати нові ефективні рішення в області техніки фотоелементів

Інженери Стенфордського університету створили перший у світі фотоелемент, що повністю складається з різних сполук вуглецю. Робота вчених опублікована в журналі ACS Nano, а її короткий зміст можна прочитати на сайті університету.

За поглинання світла в пристрої відповідають вуглецеві нанотрубки і фулерени - кулясті сполуки вуглецю C60. На відміну від кремнію, вони здатні ефективно поглинати не тільки видиме світло, але й інфрачервоне випромінювання.
Раніше інша група дослідників вже використовувала вуглецеві нанотрубки для створення фотоелементів замість кремнію.

Однак, на цей раз з вуглецю були зроблені і електроди, що відводять образующееся в пристрої електрику.

Зазвичай для цього в плівкових сонячних панелях використовуються метали та оксиди індію та олова. У новому пристрої інженери замінили їх на графен - одноатомного з'єднання вуглецю. Завдяки своїй тонкощі він прозорий для світла, але при цьому добре проводить електрику.

Ефективність прототипу нової сонячної батареї поки невелика - менше одного відсотка. При цьому кращі на сьогоднішній момент фотоелементи перетворюють світло в електрику з ефективністю до 24 відсотків.

Тим не менш, за словами авторів, ефективність вуглецевих панелей можна значно збільшити. У той же час, вартість рідкісних металів, необхідних для виробництва традиційних фотоелементів, в осяжному майбутньому буде тільки рости.

Вже кілька років фахівці, для компенсації і подолання дефіциту кремнію намагаються зменшити товщину аморфного кремнію в фотоелектричних пристроях

Інженери показали, що товщину шару аморфного кремнію в фотоелементах можна зменшити, якщо розмістити його в складках діелектрика. Робота опублікована в журналі Nano Letters, її короткий зміст можна прочитати на сайті Університету Північної Кароліни.

Вчені встановили, що шар аморфного кремнію ефективніше поглинає сонячне світло і перетворює його в електрику, якщо надати йому форму складок. Шар кремнію товщиною близько 70 нанометрів, що має форму складок, поглинає таку ж частку випромінювання, як і плоский шар товщиною 400 нанометрів.

Шар аморфного кремнію автори поміщали в "сендвіч" між двома шарами діелектрика. Для цього спочатку на поверхні діелектрика за допомогою класичної фотолітографії отримували мікроскопічні складки, а потім на них напилюють шар аморфного кремнію. Зверху наносився ще один шар діелектрика.

Вчені показали, що ефективність розробленої схеми залежить насамперед від співвідношення товщини шарів кремнію і діелектрика, а не від їх хімічної природи.

Така ж конструкція може бути застосована і для підвищення чутливості фотодетекторів, сенсорів, твердотільних світлодіодів.

Раніше інженери з Массачусетського технологічного інституту показали, що шар кремнію в фотоелементах можна зменшити, якщо наносити його у формі мікроскопічних звернених пірамід. Для створення такої структури автори також застосовували метод фотолітографії, але фотоелементи, яким була присвячена робота, складалися не з аморфного, а з кристалічного кремнію.

Дослідники також звернулися до композитним матеріалам для можливої заміни кремнію в панелях сонячних батарей

Цим питанням займаються сотні невеликих дослідних груп і старт-ап компаній

Інша незалежна група дослідників недавно розробила складаються з вуглецевих нанотрубок сонячні батареї, які здатні поглинати інфрачервоне випромінювання.

Воно несе близько 40 відсотків енергії сонця, але не використовується в фотоелементах на кремнії. Дослідники запропонували використовувати вуглецеві сонячні батареї в якості додаткового зовнішнього шару перед кремнієвими.

Особливий інтерес у цьому науково-технологічному напрямку представляють роботи сприяють розвитку напрямки використання органіки в принципових схемах і конструкції сонячних батарей
Фізики з Японії та Австрії створили надтонкі - близько 1,5 мікрометра товщиною - органічні сонячні батареї. Стаття вчених з'явилася в Nature Communications.

Нова батарея являє собою кілька шарів органічних прошарків - наприклад, з політіофена, - з'єднаних разом. З обох боків батарея покрита лавсановій плівкою, що захищає органіку від пошкоджень. Поверх плівки напиленням нанесені електроди, а також еластичні смужки, які забезпечують батареї гнучкість і оберігають електроди від розривів.

За словами дослідників, в лабораторних умовах плівка перетворює в електрику до 4 відсотків енергії падаючого на неї світла. Незважаючи на те, що цей показник нижчий, ніж у деяких кремнієвих батарей, по співвідношенню вага-продуктивність ці батареї помітно перевершують своїх напівпровідникових конкурентів.

Самі дослідники говорять, що їх винахід знайде застосування при створенні, наприклад, безпілотників.

Розробка австрійців і японців актуальна й тому, що в даний час активно ведуться розробки по створенню літальних апаратів, що працюють на енергії сонячного світла. Найвідоміший приклад - літак на сонячних батареях Solar Impulse. Влітку 2010 року він встановив рекорд перебування в повітрі, пропрацювавши без перерви в небі над Швейцарією 26 годин 10 хвилин і 19 секунд

Особливий ефект викликає застосування нано технологій для вирішення питання ефективної модифікації сонячних батарей

Американські фізики із Стенфордського університету розробили технологію створення кремнієвих наносфери, використання яких дозволяє значно збільшити ефективність сонячних батарей. Стаття вчених з'явилася в журналі Nature Communications, а її короткий виклад наводить саме видання.

На першому етапі роботи були виготовлені кулі з чистого кварцу. Після цього кулі покрили кремнієм і за допомогою плавикової кислоти витравили кварц зсередини отриманих конструкцій. В результаті у розпорядженні вчених опинилися кремнієві сфери діаметром декілька нанометрів. На підставі отриманих сфер були створені сонячні батареї.

За словами дослідників, сфери дозволяють значно збільшити кількість поглинається батареями світла, завдяки ефекту "шепочуть галерей".

Мова йде про те, що в деяких приміщеннях шепіт в одній точці чудово чутний в інший, досить віддаленій. Це пов'язано з явищем резонансу при поширенні звуку (стоячими резонансними модами).

Завдяки цим модам, вченим вдалося "замкнути" всередині сфер більше світла, ніж якби структура батареї була суцільною. Ефективність батареї з 50-нанометрового шару сфер була порівнянна з ефективністю батареї товщиною в мікрон. При цьому для деяких довжин світлових хвиль вдалося домогтися поглинання на рівні 75 відсотків.

На думку вчених, нова технологія може бути затребувана при створенні ефективних сонячних батарей. Зокрема, вона дозволяє зменшити кількість матеріалу, використовуваного при створенні таких батарей, і, як наслідок, масу.

Фізики сподіваються, що зменшення витрат матеріалів дозволить використовувати при виробництві батарей дорогі з'єднання.

В кінці грудня 2011 року в Physical Review Letters з'явилася робота, в якій вчені пропонували схему поділу екситонів (квазічастинки в матеріалі, що складаються з електрона і дірки) за допомогою вуглецевих нанотрубок. Це розділення відіграє ключову роль у виникненні електричного струму в фотовольтаїчних батареях.

Тепер кілька слів про інтегративних технічних рішеннях, які можуть в принципі стати основою для мікроелектронних систем в найближчій перспективі, особливо в бурхливо розвивається техніці для біо-медичних аплікацій

Швейцарські інженери навчилися створювати композитні матеріали зі змінною еластичністю, які можуть стати в нагоді для створення гнучкої електроніки. Робота вчених опублікована в журналі Nature Communications, а її короткий зміст наводить LiveScience.
Створення еластичною електроніки вимагає захисту тих частин пристрою, які не можуть розтягуватися, наприклад інтегрованих мікрочіпів. У той же час, пряме з'єднання крихких і еластичних компонентів призводить до того, що при розтягуванні такі пристрої рвуться в місцях з'єднання.

Швейцарські інженери запропонували вирішити цю проблему, створивши матеріал з еластичністю, плавно мінливою від точки до точки. Для цього вони використовували композитний матеріал - поліуретан з наповнювачем.
Варіюючи кількість наповнювача, автори могли робити різні частини матеріалу більш-менш еластичними. При цьому механічні властивості в різних частинах одного матеріалу відрізнялися на п'ять порядків.

В якості прототипу інженери виготовили еластичну пов'язку з інтегрованим світлодіодом, яка могла розтягуватися більш ніж в три рази. Світлодіод був оточений в пристрої зоною низької еластичності, яка при розтягуванні запобігала його пошкодження.
Автори вважають, що подібні матеріали можуть нагоді не тільки для створення гнучкої електроніки, але і для протезування сухожиль, які також мають змінну еластичність.
Нещодавно японські інженери представили тканину з інтегрованими світлодіодами, яка, також як і новий матеріал, володіла гнучкістю, проте не могла розтягуватися.
Для забезпечення максимальної адаптивності новітніх технологій з діючими, що вже стали звичними технологіями, з'явилися цікаві розробки принципово нових компонентів мікроелектронних систем, що володіють небувалою до сьогоднішнього часу гнучкістю

Корейські інженери створили гнучкі батареї і на їх основі зібрали перше повністю згинати електронний пристрій. Робота опублікована в журналі Nano Letters, її короткий зміст можна прочитати на сайті EurikAlert.

Пристрій являє собою літій-іонну батарею з неорганічними електродами, нанесеними на гнучку підкладку. При його виготовленні електроди спочатку формують на слюді, а потім переносять на пластик - полідіметілсульфоксан. При цьому, метод переносу невимогливий до матеріалу, з якого виготовлені самі електроди.
Створена корейськими вченими батарея здатна згинатися з радіусом близько 3 міліметрів, не змінюючи напруги вироблюваної електрики. У процесі випробування пристрою його згинали більше 20 тисяч разів, але це практично ніяк не змінило показань вольтметра, підключеного до батареї.
У порядку експерименту дослідники підключили до батареї гнучкий світлодіодний дисплей і зібрали, таким чином, перше повністю згинати електронний пристрій в світі.
Літій-іонні батареї давно розглядаються інженерами як хороші кандидати для виготовлення гнучких пристроїв . Складнощі, які виникають при їх виготовленні, пов'язані насамперед з електродами, які повинні при згинах зберігати хороший контакт з електролітом.

Для цього вчені намагаються використовувати або гнучкі органічні провідники, або тонкошарові неорганічні провідники. Недоліки перших пов'язані з низькою стабільністю, других - з труднощами перенесення на гнучку підкладку.

Фізики також розробили новий спосіб отримання графенових нанолент з гладкими краями і заданими енергетичними характеристиками, що робить їх придатними для створення електронних приладів нового покоління. Робота дослідників опублікована в журналі Nature. Коротко про неї пише портал Physics World.

Графен - моноатомний шар вуглецю, що володіє незвичайними електронними і механічними властивостями. Він був створений в 2004 році.
Вчені вважають графен перспективним матеріалом для розробки електронних приладів нанорозміру, які в майбутньому можуть "потіснити" традиційні напівпровідникові прилади. Хоча графен перевершує напівпровідники в легкості, міцності і рухливості носіїв електричного заряду, він не володіє в природному стані так званої забороненою зоною.

Заборонена зона, або щілину, - це різниця між максимальною енергією валентних електронів атома (тобто беруть участь в утворенні хімічних зв'язків) і мінімальної енергією електронів провідності - тих електронів, які можуть під дією зовнішнього електричного поля відокремитися від свого атома і брати участь у колективному русі, створюючи струм.

Ширина забороненої зони визначає провідні властивості матеріалу - поле, прикладене до матеріалу, щоб він почав проводити струм, повинно повідомляти електронам енергію не менше ширини забороненої зони для того, щоб вони змогли покинути її. Завдяки наявності забороненої зони напівпровідники широко використовуються в електроніці.

Для додання напівпровідникових властивостей графену його виготовляють у формі тонких стрічок: завдяки квантово-розмірного ефекту рух електронів по них обмежене одним напрямком, відповідно їх енергія має строго певні рівні та заборонену зону.
Раніше для виготовлення графенових стрічок використовувалися в основному технології "зверху вниз": відлущування від графенових масивів чи розгортання і розрізання вуглецевих нанотрубок. Нерівні краї таких стрічок сильно погіршують їх проводять властивості і ускладнюють дослідження та контроль їх характеристик.

Нова технологія відноситься до так званих методів "знизу верх", або хімічним методам. На підкладку з золота або срібла напилюється шар вуглецевмісних циклічних мономерів, які потім зчіплюються в полімери.

Система полімерів піддається нагріву, в результаті чого формуються вуглецеві стрічки товщиною в один атом, рівні або зигзагоподібні, в залежності від складу вихідних речовин. Ширина таких стрічок становить від 10 до 50 нанометрів, а ширина їх забороненої зони достатня для задач електроніки.
Більш того, краї таких стрічок рівні, з мінімальними включеннями сторонніх атомів, а це сильно покращує їх провідність і створює можливість дослідження магнітних властивостей малорозмірних об'єктів в залежності від форми краю.

З цієї ж технології в майбутньому вчені планують виготовляти стрічки графена з вкрапленнями атомами азоту і бору, які будуть створювати додаткові рівні енергії і варіювати електронні властивості стрічок, а також отримувати гетеропереходи - з'єднані стрічки різної товщини (тобто з різними забороненими зонами).

Всі ці структури можуть знайти застосування в сонячній енергетиці та високочастотних пристроях.

... далі буде