Как работает классический солнечный элемент? Там есть два тонких слоя полупроводников. Один из них n-типа (с избытком электронов в энергетической зоне проводимости), а другой p-типа (с избытком "дырок").
Ток во внешней цепи, подключённой к слоям, возникает, когда падающий на полупроводник n-типа фотон поглощается электроном из валентной зоны, вследствие чего последний увеличивает свою энергию и "прыгает" через так называемую "запретную зону" на уровень проводимости.
Ширина запретной зоны, которую нужно преодолеть, определяет частоту излучения, на которую будет откликаться эта фотоэлектрическая ячейка. Похоже на пропасть, которую можно перепрыгнуть лишь в один приём, но никак не в два шага.
Почему же обычные солнечные батареи имеют низкий КПД? А просто если энергия фотона недостаточна для "прыжка" (частота света низкая), фотон вообще не поглощается материалом. А если слишком высокая, львиная доля энергии падающего света теряется впустую — уходит на нагрев материала.
Кристаллический кремний, например, имеет запретную зону шириной в 1,1 эВ. Большая часть фотонов, испускаемых Солнцем, имеет значительно большую энергию. Потому кремниевые фотоэлементы никогда не будут обладать высоким КПД.
Физикам известна масса полупроводников, составленных из сложных смесей, которые откликаются на ту или иную частоту излучения. Давно возникла идея: сделать слоёный пирог из нескольких таких полупроводников. Каждый слой — очень тонкий. Вместе они поглощали бы фотоны различной частоты, закрывая широкий спектр.
Но оказалось, что сделать это очень трудно. Мешают свойства самих материалов — не стыкуются их кристаллические решётки, ведь здесь необходимо не простое механическое соединение.[img]
