Группе в Беркли удалось изготовить лазер из полупроводникового нановолокна, содержащего сульфид кадмия. Нановолокно отделено от серебряной подложки прозрачным диэлектриком толщиной пять нанометров. В этом зазоре, значительно меньшем дифракционного предела, потери у поверхностных плазмонов невелики; накачиваемое светом нановолокно хорошо их усиливает, и возникает эффективная сине-зелёная (489 нм) лазерная генерация в полосе под волокном шириной 38 нм. Зажатые в зазоре плазмоны обладают рядом уникальных свойств — например, высокой концентрацией энергии. Их можно использовать как источник в плазмонной электронике и в квантовых вычислениях; с помощью плазмонов можно будет изучать отдельные молекулы и нагревать сверхмалые области для магнитной записи информации. Теперь учёные хотят заменить оптическую накачку плазмонного лазера электронной, что сделает вполне реальным его использование в чипах.
В Норфолке пошли другим путём. Созданный там плазмонный нанолазер (спазер) представляет собой шарик диаметром 44 нм с золотым ядром, которое «обернуто» слоем кварца с примесью молекул красителя. Сферическое ядро играет роль резонатора для плазмонов, а его оболочка является активной средой. Такое устройство помещают в воду и накачивают другим лазером. Сгенерированный спазером свет может оставаться в виде плазмонов в наночастице или излучаться зелёными фотонами с длиной волны 530 нм. Подобные шарики (по мнению изобретателей, их можно уменьшить до нанометра) способны стать основой новых микроскопов и биосенсоров, чувствительных к отдельным молекулам.
"Компьютерра" №34 (798)
В погоне за солнечным зайчиком
Автор: Александр Бумагин
Опубликовано 05 октября 2009 года
В середине июля двенадцать крупных европейских компаний подписали меморандум о проекте DESERTEC. Он предусматривает строительство гигантского комплекса солнечных (а также ветровых и прочих «альтернативных») электростанций, который решил бы многие энергетические проблемы континента, вырабатывая до 15% необходимой Европе электроэнергии. Практически одновременно корпорация РОСНАНО оформила своё участие сразу в трёх российских проектах, связанных с производством солнечных элементов для космической отрасли и наземного применения.
Оценить эти шаги пока довольно трудно ввиду разного масштаба инициатив и зачаточного состояния большинства проектов. DESERTEC1 потребует 400 млрд. евро в течение десяти лет, а РОСНАНО имеет возможность потратить лишь несколько миллиардов рублей. Инициаторы европейского проекта хотят вырваться вперед, а мы лишь рассчитываем догнать тех, кто впереди. Для них это стремление к энергетической независимости, в том числе и от нас, а мы решаем похожую проблему в пусть важном, но очень узком сегменте. Сравнивать эти усилия нельзя ещё и потому, что европейцы хотят с помощью жаркого африканского солнца и системы отражателей нагревать тепловые котлы, а РОСНАНО делает ставку на поглощение энергии излучения светила в полупроводниковых солнечных батареях: энергетика там и там солнечная, а технологии совершенно разные. К слову, в европейском проекте никакие технологические прорывы и не требуются, у них главная проблема — в грандиозности задуманного.
Мы все, наверное, привыкли к тому, что в нашей стране крупные государственные вложения в технологии делаются нечасто. А если и делаются, то сплошь и рядом все оканчивается пшиком. Интересно, что получится с обузданием Солнца.
Рынок Солнца
Рынок солнечной энергетики в последние годы заметно вырос. Так, по данным исследовательской компании Lux Research (США), в прошлом году его объём достиг 33,3 млрд. долларов, или около 5 ГВт. В абсолютных величинах это, конечно, немного, тем не менее с 2001 года цифры возросли больше чем на порядок (здесь, правда, следует быть осторожным в оценках, так как при малых изначально величинах рост часто впечатляет).
Рынок кремниевых тонкоплёночных солнечных модулей (тех самых, что будут делать в Новочебоксарске) в 2008 году оценивается в 0,6 ГВт, и по прогнозам, к 2012 году он увеличится до 2,4 ГВт. По информации, которую нам предоставила компания «Нитол», есть предпосылки к тому, что в ближайшие два года в ряде регионов (Калифорния, страны Южной Европы, Япония) выработка «солнечного» электричества сравняется по стоимости с традиционными источниками. Локомотивами солнечной энергетики станут снижение цен на производство и установку солнечных модулей, а также повышение их КПД. Европейская ассоциация фотовольтаики (EPIA) прогнозирует два сценария развития рынка до 2013 года. По консервативному сценарию (без существенной государственной поддержки) среднегодовые темпы роста составят 17% (до 12 ГВт новых установок в 2013 году). По ускоренному (с господдержкой в виде льготных закупочных тарифов, налоговых льгот и др.) — 32% (22 ГВт новых установок в 2013 году). Среднегодовые темпы роста мощностей по всей производственной цепочке в 2008-2013 гг. составят 20–30%.
Сотрудничество РОСНАНО с НПП «Квант» предполагает производство солнечных батарей на основе арсенида галлия. Такие батареи позволяют поднять КПД со средних 15 до 30% по сравнению с батареями на основе кремния2. Ресурс батарей — пятнадцать лет, и это практически предельный срок службы для солнечных элементов при их использовании в космосе. Более дешевые кремниевые батареи намного быстрее деградируют под действием космической радиации, хотя на Земле, под защитой атмосферы, могут успешно работать 20–25 лет.
Солнечные элементы на основе арсенида галлия впервые были сделаны в СССР: на советских «Луноходах» и на станции «Мир» использовались именно они. Арсенид-галлиевые элементы гораздо менее чувствительны к перегреву, а их более высокая эффективность позволяла конструкторам обходиться батареями меньшей площади. Правда, такие элементы заметно дороже, потому-то и прижились преимущественно в космосе.
По словам руководителя учебно-методического центра ОАО «КПП «Квант» Елены Обручевой, советскую космическую программу эффективными батареями обеспечили, но после развала Советского Союза возможностей развивать технологию не было, в итоге — пятнадцать лет застоя. Сейчас Россия вынуждена закупать элементы на основе арсенида галлия за границей, а они составляют 70% конечной стоимости солнечной батареи3.
Важно и то, что во времена «Луноходов» при создании солнечных элементов была использована жидкофазная эпитаксия4 — процесс плохо контролируемый, который нет смысла совершенствовать сейчас. Современный уровень технологии — это газофазная эпитаксия, которая и будет применяться на производстве «Кванта». Этот вариант создания кристаллов обладает также большей производительностью, по сравнению, например, с молекулярно-пучковой эпитаксией. Только две фирмы в мире выпускают необходимую аппаратуру промышленного назначения — немецкая Aixtron и американская Veeco. «Квант» использует установки обеих фирм.
Однако установки — это меньшая часть дела. Ими еще нужно уметь пользоваться. Оборудование для газофазной эпитаксии позволяет производить и солнечные элементы, и светодиоды, и ряд других комплектующих. Технологии для каждого из продуктов сильно отличаются. Производственный цикл при создании солнечных элементов состоит более чем из тридцати последовательных стадий. Так что разработка технологии — достаточно трудоёмкий и, по выражению Обручевой, даже творческий процесс. Поскольку «Квант» занимается космическими солнечными батареями больше полувека, накопленный опыт позволил предприятию адаптировать собственные научные наработки к современному оборудованию.
Продукция «Кванта» будет более выгодна для заказчиков внутри страны хотя бы потому, что в России рабочая сила дешевле, чем в Германии или США, а к цене не прибавятся таможенные расходы, сопутствующие импорту изделий. С российскими предприятиями уже заключены договоры на срок до 2012 года о поставке 60% всех выпущенных за это время солнечных элементов. Исходя из сегодняшних потребностей нашей космической отрасли, проект способен полностью насытить внутренний рынок. Зарубежные заказы тоже ожидаются — например, интерес к открываемому производству проявляет Франция. На международном рынке цена российских солнечных батарей, по прогнозам, должна быть на 10% ниже, чем у зарубежных аналогов.
Для осуществления проекта, кроме оборудования, нужны еще производственные газы, металлоорганика и сами подложки. Увы, отечественные предприятия могут поставлять только газы, да и те приходится предварительно подвергать очистке. Не имеет нужной чистоты и российская металлоорганика, а подложки не удовлетворяют условиям плотности дефектов кристаллической структуры. Дабы изменить ситуацию к лучшему, «Квант» ведет переговоры с российскими производителями, так что есть надежда, что и смежные области со временем достигнут нужных высот.
