Δύο ηλεκτρόνια με ένα φωτόνιο

Πηγή: New Scientist, Ιούνιος 2006

Αν θέλετε να αποκτήσετε αποδοτική ηλιακή ενέργεια, ο Victor Klimov έχει να σας προτείνει μια συμφωνία: Δώστε του ένα φωτόνιο από το φως του ήλιου και θα σας δώσει δύο ηλεκτρόνια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Δεν εντυπωσιάζεστε; θα έπρεπε. Σε όλες τις ηλιακές κυψέλες που χρησιμοποιούμε - από τους δορυφόρους έως τους υπολογιστές τσέπης - κάθε εισερχόμενο φωτόνιο συνεισφέρει στην καλύτερη των περιπτώσεων ένα ηλεκτρόνιο στο ρεύμα που παράγει. Τώρα όμως ο Klimov, φυσικός του Εθνικού Εργαστηρίου του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό, έσπασε αυτό το εμπόδιο. Έδειξε ότι συρρικνώνοντας τα στοιχεία ενός ηλιακού κυττάρου (κυψέλης) σε μέγεθος λίγων νανομέτρων ή εκατομμυριοστών του ενός χιλιοστού, κάθε φωτόνιο που συλλαμβάνεται μπορεί να αναγκαστεί να παραγάγει όχι ένα αλλά δύο, ίσως και περισσότερα φορτισμένα σωματίδια.

Η παραγωγή πολλών ηλεκτρονίων από ένα φωτόνιο είναι ένα τρομακτικά επίτευγμα της φυσικής που έχει γίνει από μια ομάδα στο εθνικό εργαστήριο ανανεώσιμης ενέργειας (NREL) στο Κολοράντο. Αν μπορέσουμε να αξιοποιήσουμε το φαινόμενο, τότε ολόκληρος ο ενεργειακός διάλογος θα άλλαζε άρδην, καθώς η ηλιακή ενέργεια θα γινόταν πιο αποδοτική και πιο οικονομική. Ενώ γίνονται πολλές προσπάθειες σήμερα να βελτιωθεί η ηλιακή αποδοτικότητα με τη συγκέντρωση του φωτός του ήλιου, παραδείγματος χάριν, ή με διευκολύνοντας τα ηλεκτρόνια να κινηθούν μέσα σε ένα κύτταρο, η νέα προσέγγιση είναι μοναδική, δεδομένου ότι φτάνει στην ίδια την ρίζα της διαδικασίας και συμπληρώνει επίσης άλλες μεθόδους.

Για δεκαετίες, τα φωτοβολταϊκά έχουν χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές, όπως οι δορυφόροι, αλλά δεν είναι οικονομικά ανταγωνιστικά εδώ στη γη. Φτιάχνονται δε από ημιαγωγικά υλικά, συχνότερα από το πυρίτιο, μετατρέποντας στα ηλιακά κύτταρα ένα πολύ μικρό τμήμα της ενέργειας του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ριζική βελτίωση της αποδοτικότητας θα μπορούσε να δώσει ώθηση στην ηλιακή ενέργεια σε μία εποχή που χρειάζεται σοβαρά να σκεφτούμε το μέλλον των ανανεώσιμων πηγών.

Οι πρώτες ενδείξεις ότι είναι θεωρητικά δυνατόν ένα φωτόνιο να παράγει πολλαπλά ηλεκτρόνια υπήρξαν το 1982, όταν παρουσίασε ο επιστήμονας Alexander Efros στο Ερευνητικό Εργαστήριο Υλικών του Ναυτικού στην Ουάσιγκτον, ότι αυτό ήταν θεωρητικά δυνατό για ένα φωτόνιο να παραγάγει πολλαπλάσιους φορείς φορτίου σε ορισμένους ημιαγωγούς.

Τις επόμενες δύο δεκαετίες οι επιστήμονες έμαθαν να ελέγχουν τις ιδιότητες των μικροσκοπικών ημιαγώγιμων δομών, που αποκαλούνται νανοκρύσταλλοι ή κβαντικές κουκίδες. Ύστερα το  ο 2002, ο φυσικός και χημικός Arthur Nozik του NREL πρόβλεψε ότι η παραγωγή των πολλαπλάσιων μεταφορέων πρέπει να ενισχυθεί στους νανοκρυστάλλους σχετικά με τους μαζικούς ημιαγωγούς. Τέλος, το 2004 ο Klimov κατέδειξε ότι αυτή η παραγωγή πολλαπλών ηλεκτρονίων σε νανοκρυστάλλους μπορεί να ανιχνευθεί με αξιόπιστο τρόπο («Physical Review Letters», τ. 92, σ. 186601).

Τα οφέλη της δημιουργίας πολλαπλών φορτισμένων σωματιδίων από ένα φωτόνιο πηγάζουν από τον τρόπο με τον οποίο τα φωτοβολταϊκά συστήματα αλληλεπιδρούν στο ηλιακό φάσμα. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα ημιαγώγιμο υλικό αποκτά τη δυνατότητα να κινείται ελεύθερα, και άρα να μεταφέρει ρεύμα, αφήνει μία κενή θέση στον κρύσταλλο, τη λεγόμενη οπή. Το σύστημα ηλεκτρονίου-οπής ονομάζεται εξιτόνιο. Το μέγεθος της ενεργείας ενός φωτονίου που απαιτείται για τη δημιουργία ενός εξιτονίου αποκαλείται ενεργειακό χάσμα ή διάκενο (ο όρος αναφέρεται στη διαφορά στα επίπεδα ενέργειας μεταξύ ενός σταθερού ηλεκτρονίου στην αποκαλούμενη "ζώνη σθένους" και ενός που είναι μέρος των ελεύθερων ηλεκτρονίων που μπορούν να κινηθούν ελεύθερα στη "ζώνη αγωγιμότητας").

Το ηλιακό φως αποτελείται από διάφορα μήκη κύματος, τα οποία εμείς βλέπουμε ως χρώματα. Τα φωτόνια κάθε χρώματος μεταφέρουν ένα χαρακτηριστικό ποσό ενεργείας: μικρότερη στο ερυθρό - υπέρυθρο άκρο του φάσματος, υψηλότερη προς το ιώδες - υπεριώδες.

Για να κατασκευάσουμε ένα αποδοτικό ηλιακό κύτταρο θα πρέπει να ταιριάξουμε την ενέργεία του φωτονίου με το ενεργειακό χάσμα του υλικού από το οποίο κατασκευάζουμε το κύτταρο ηλιακής ενεργείας. Το ενεργειακό χάσμα της σιλικόνης - το υλικό από το οποίο κυρίως κατασκευάζονται οι ηλιακές κυψέλες - αντιστοιχεί στο μήκος κύματος που βρίσκεται στο υπέρυθρο άκρο του φάσματος. Τα εισερχόμενα φωτόνιο με ενεργεία λιγότερη από αυτή δεν θα έχουν την κβαντική ικανότητα που απαιτείται για τη δημιουργία ενός εξιτονίου. Ένα φωτόνιο με ενεργεία ακριβώς ίδια με αυτή του ενεργειακού διάκενου θα δημιουργήσει ένα εξιτόνιο και ύστερα θα χάσει όλη την ενεργεία του.

Ωστόσο το περισσότερο φως που έρχεται από τον ήλιο είναι μικρότερου μήκους κύματος (μεγαλύτερη συχνότητα) από το υπέρυθρο και άρα τα φωτόνια του έχουν περισσότερη ενέργεια. Καθένα από αυτά τα πακέτα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας μπορεί να ελευθερώσει το μέγιστο ένα ηλεκτρόνιο, ανεξαρτήτως της ισχύος που μεταφέρει. Η εναπομένουσα ενέργεια διαχέεται ως θερμότητα που δεν μπορεί να συνεισφέρει στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η τεχνική του Klimov αξιοποιεί ακριβώς αυτή τη χαμένη» ενέργεια, μετατρέποντας την σε ηλεκτρισμό.

Το κλειδί στην όλη διαδικασία, λέει αυτός, είναι το μικρό μέγεθος των κβαντικών κουκίδων που χρησιμοποιούνται για να απορροφήσουν τα φωτόνια. Όταν μια δομή συρρικνώνεται στο μέγεθος μερικών χιλιάδων ατόμων, οι φυσικές ιδιότητες της αλλάζουν δραστικά.

Το φαινόμενο πολλών εξιτονίων, που μπορεί σπανίως να γίνει στο συμβατικό πυρίτιο, είναι δυνατό να συμβεί στους ειδικά κατασκευασμένους νανοκρυστάλλους. Στην πιό πρόσφατη σειρά πειραμάτων του, ο Klimov υποστηρίζει ότι έχει παραγάγει τουλάχιστον 7 εξιτόνια ανά φωτόνιο σε κρυστάλλους σεληνιούχου μολύβδου διαμέτρου 4 έως 8 nm. "Είναι πολύ φτηνοί και θέλουν λίγα λεπτά για να γίνουν", λέει ο Klimov. "Μοιάζει με την παραγωγή νέων ατόμων, ξεπερνώντας αυτά που η φύση μας παρέχει."

Για την ανίχνευση αυτών των πολλαπλών εξιτονίων, πρέπει να μετρηθεί η συμπεριφορά των νανοκρυστάλλων  σε πολύ ακριβή χρονικά διαστήματα. Ο Klimov και ο συνάδελφός του Richard Schaller φώτισαν τα δείγματα του σεληνιούχου μολύβδου με παλμούς λέιζερ που διαρκούν μόνο 5.10^-14 δευτερόλεπτα, ή 50 εκατομμυριοστά του ενός νανοδευτερολέπτου. Φώτισαν έπειτα με μια άλλη ακτίνα λέιζερ για να εξετάσουν τον κρύσταλλο, ελέγχοντας πόσο φως απορρόφησε κατά τη διάρκεια των χιλιοστών του ενός νανοδευτερολέπτου. Τα μονά εξιτόνια είναι σταθερά, έτσι εάν κάποιο από αυτά παρουσιάζεται, η απορρόφηση παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια εκείνης της περιόδου.  Εντούτοις, αν δημιουργούνται πολλαπλάσια εξιτόνια, αυτό δεν κρατάει και πολύ: Τα εξιτόνια εξαφανίζονται γρήγορα, προκαλώντας τις ιδιότητες της απορρόφησης του κρυστάλλου να αλλάξουν με έναν χαρακτηριστικό τρόπο, που μπορεί να ληφθεί από κάποιους ευαίσθητους οπτικούς ανιχνευτές.

Φυσικά, η δυνατότητα ενός φωτονίου να παράγει πολλαπλάσιους φορείς φορτίου έχει και τα όριά της. Οι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής υπαγορεύουν ότι η συνολική ενέργεια των εξιτονίων δεν μπορεί να υπερβεί την ενέργεια των φωτονίων που πέφτουν πάνω στο κύτταρο. "Περιοριζόμαστε ακόμα από τη διατήρηση της ενέργειας", εξηγεί ο  Klimov. Ωστόσο, σύμφωνα με αυτόν, όταν ένα φωτόνιο κρούει το υλικό, το ηλεκτρόνιο μεταβιβάζεται σε μία εικονική κατάσταση όπου κερδίζει περισσότερη ενέργεια από αυτή που μετέφερε το φωτόνιο. Αυτή η φαινομενική ανακολουθία επιτρέπεται επειδή η εικονική κατάσταση διαρκεί για τρομακτικά μικρό χρονικό διάστημα. Το «υπερενεργό» ηλεκτρόνιο μεταφέρει έπειτα κάποια από την ενεργεία του σε ένα άλλο, μη ενεργό ηλεκτρόνιο. Αποτέλεσμα; Δύο ενεργά ηλεκτρόνια από ένα και μοναδικό φωτόνιο.

Ένας άλλος φυσικός, ο Nozik προτείνει ένα διαφορετικό μοντέλο. Υπάρχει μια "συνεπής υπέρθεση" των ενεργειακών καταστάσεων, όπως λέει, ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο που προκαλεί τη συγκεκριμένη αναλογία. Μετά από την απορρόφηση ενός υψηλής ενέργειας φωτονίου, ένα ηλεκτρόνιο θα βρεθεί σε δύο διαφορετικές  ενεργειακές καταστάσεις: Μία από αυτές συμφωνεί με το σχηματισμό ενός μόνου εξιτονίου, και η άλλη είναι σύμφωνη με πολλαπλάσιων εξιτονίων. Στην πραγματικότητα, λέει ο Garry Rumbles, ένα μέλος της ομάδας του Nozik, "προετοιμάζετε ένα μίγμα καταστάσεων, όπου η μία κατάσταση μοιάζει σαν τρία εξιτόνια, και η άλλη κατάσταση μοιάζει σαν ένα μόνο εξιτόνιο με πολύ υψηλή ενέργεια". Αυτή η υπέρθεση ισχύει για μια πολύ μικρή περίοδο, έως ότου λάβει το ηλεκτρόνιο μια απόφαση, λέει ο Rumbles.

Πάντως όλη αυτή η διαδικασία δεν ωφελεί αν δεν καταφέρουμε να μεταφέρουμε σε ηλεκτρικό ρεύμα το φορτίο. Και εδώ βρίσκεται το κύριο εμπόδιο, καθώς για να παράγουμε ρεύμα πρέπει να διαχωρίσουμε τα ηλεκτρόνια από τις οπές και αυτό είναι πολύ δύσκολο, όπως αναφέρει ο Klimov. Η δυσκολία έγκειται στο ότι τα πολλαπλά εξιτόνια έχουν πολύ μικρή διάρκεια ζωής: μόλις λίγα δέκατα του πίκοδευτερολέπτου (τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου). Μετά η οπή και το ηλεκτρόνιο επανενώνονται . Αυτό σημαίνει ότι οι πρακτικές εφαρμογές της ανακάλυψης του Klimov απαιτούν πολλά χρόνια ερευνών.

Αυτό σημαίνει ότι οι πρακτικές εφαρμογές της εργασίας του Klimov είναι ακόμα κάπως μακρινές. "Μπορούμε να πάρουμε αυτό το πείραμα σαν μια απόδειξη της αρχής", λέει ο χημικός Παύλος Αλιβιζάτος του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, στο Μπέρκλεϋ, αλλά είναι ακόμα γρίφος ο υπολογισμός πώς διαχωρίστηκαν και συγκεντρώθηκαν οι πολλαπλάσιοι μεταφορείς του φορτίου στο νανοκρύσταλλο. "Αξίζει να επενδύσουμε σε αυτόν τον τομέα", αναφέρει ο Παύλος Αλιβιζάτος, επειδή αν καταφέρουμε να αξιοποιήσουμε τα πολλαπλά φορτισμένα σωματίδια που παράγει κάθε φωτόνιο, η συνολική παραγωγικότητα των ηλιακών κυττάρων θα αυξηθεί δραστικά.

Ο Nathan Lewis, χημικός στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας στην Πασαντένα που ασχολείται με την έρευνα για την ηλιακή ενέργεια, υποστηρίζει μια παρόμοια άποψη. "Η εργασία είναι μια σημαντική επιβεβαίωση των θεωρητικών προβλέψεων", λέει. "Είναι σαν να γνωρίζουμε ότι υπάρχει πυρηνική σύντηξη στον ήλιο," εξηγεί. "Για να την κάνουμε στη γη είναι μια άλλη ιστορία".

Η ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι η μόνη χρήσιμη μορφή ενέργειας που μπορούν να παράγουν τα εξαιρετικής απόδοσης ηλιακά κύτταρα. Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να προκαλέσουν μια χημική αντίδραση που δημιουργεί καύσιμα. Ενώ αυτή η προσέγγιση δεν εξαρτάται αυστηρά από ένα κύτταρο στο οποίο κάθε φωτόνιο παράγει περισσότερα από ένα ηλεκτρόνιο, οι πρόσθετοι μεταφορείς φορτίων θα βοηθούσαν με την επιτάχυνση της αντίδρασης.

Σε ένα άλλο σενάριο, οι νανοκρύσταλλοι θα μπορούσαν να βυθιστούν στο νερό, και το ρεύμα που θα έρεε έξω από το ηλιακό κύτταρο θα διασπούσε τα μόρια του νερού, σε υδρογόνο και οξυγόνο. Όπως και με την άμεση παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας, το όφελος ενός ηλιακού κυττάρου με πολλαπλάσια εξιτόνια θα ερχόταν μέσω της αποδοτικότερης εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας που πέφτει πάνω του, αναφέρει ο χημικός Nathan Lewis.

Το υδρογόνο είναι η βάση για τα οχήματα με κυψέλες καυσίμου που θα λειτουργούσαν χωρίς εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και δεν θα απαιτούσαν καμία βενζίνη. Το οξυγόνο από τον αέρα θα αντιδρούσε με το υδρογόνο παρουσία ενός καταλύτη δημιουργώντας ηλεκτρική ενέργεια, με το νερό ως υποπροϊόν. Αλλά δεν είναι εύκολο να πάμε προς μια οικονομία του υδρογόνου, εξ αιτίας του γεγονότος ότι η παραγωγή του υδρογόνου απαιτεί κι αυτή ενέργεια και εάν αυτή η ενέργεια προέρχεται από τα ορυκτά καύσιμα, τότε το περιβαλλοντικό όφελος της ενέργειας του υδρογόνου είναι αμφισβητήσιμο. Όμως, η χρησιμοποίηση της ηλιακής ενέργειας για να παραγάγει το υδρογόνο θα υπερνικούσε αυτήν την αντίρρηση.

Μέχρι στιγμής το παγκόσμιο ρεκόρ αποδοτικότητας ηλιακών κυττάρων είναι 24,7%. Ο Klimov προβλέπει ότι στο μέλλον θα έχουμε αποδοτικότητα που θα ξεπερνά το 50%. Και τότε θα ανατείλει για όλους μας ένα πιο λαμπερό ηλιακό μέλλον.