Исследователи Национального института астрофизики, оптики и электроники Мексики (INAOE) смогли повысить эффективность солнечных элементов и оптоэлектронных устройств, объединив природный пигмент меланин с пористым кремниевым порошком. Эта комбинация усилила генерацию фототока за счет увеличения люминесценции кремния, то есть его способности излучать свет. Результаты исследования опубликованы в журнале Solar Energy.
Мексиканские ученые создали коллоидный раствор, используя меланин и пористый кремний. Эта смесь ранее уже рассматривалась как перспективная для гетеропереходных солнечных элементов. Меланин содержит положительно и отрицательно заряженные группы, и может быть как донором, так и акцептором электронов, то есть участвовать в передаче заряда.
Для эксперимента ученые создали подложку из пористого кремния, используя метод электрохимического травления кремниевой пластины p-типа в 3D-печатном реакторе. Затем они растворили меланин в диметилсульфоксиде (ДМСО) и нанесли его на кремниевую пленку с помощью метода drop-casting — простого способа нанесения покрытия, не требующего специализированного оборудования. Процесс проходил при температуре 90 °C. В результате химического взаимодействия между атомами кремния и элементами меланина (углеродом, кислородом и водородом) усиливалась люминесценция кремниевого материала. Это приводило к увеличению числа областей, в которых происходит свечение, что, в свою очередь, способствует улучшению оптических свойств материала.
В результате эксперимента в спектре излучения пористого кремния зафиксировано усиление свечения в диапазоне 500–700 нм, что исследователи связывают с появлением специфических дефектов в материале. Дополнительные измерения также показали появление новых пиков в инфракрасной области — на длинах волн 790, 878, 943 и 1043 нм. Ученые объясняют, что меланин, обладая окислительно-восстановительными свойствами, помогает стабилизировать структуру пористого кремния и способствует образованию эффективных рекомбинационных центров, усиливающих светоизлучающие характеристики материала.
Было также установлено, что с увеличением содержания меланина уменьшается время жизни носителей заряда. Это означает, что материал быстрее реагирует на внешние световые воздействия, что может быть особенно полезно при создании оптоэлектронных устройств с быстрым откликом, например, чувствительных датчиков или фотоприёмников, работающих в ультрафиолетовом диапазоне.
