Inovativne in tisočkrat močnejše sončne celice

Večina sončnih celic trenutno temelji na siliciju, vendar je njihova učinkovitost omejena, zato so začeli raziskovalci preučevati nove materiale. Študija raziskovalcev z Univerze Martina Luthra v Halle-Wittenbergu (MLU) je pokazala, da se lahko fotonapetostni učinek feroelektričnih kristalov poveča za 1000-krat, če tri različne materiale periodično razporedijo v kristalno mrežo oziroma rešetko.

To so dosegli tako, da so ustvarili kristalne plasti iz barijevega titanata, stroncijevega titanata in kalcijevega titanata, ki so jih izmenično polagali eno na drugo. Svoje ugotovitve, ki bi lahko znatno povečale učinkovitost sončnih celic, so objavili v reviji Science Advances.

Rezultat je presenetil celo raziskovalno skupino

Večina sončnih celic sicer trenutno temelji na siliciju, vendar je njihova učinkovitost omejena. Zato so raziskovalci začeli preučevati nove materiale, kot so feroelektriki, denimo barijev titanat, mešani oksid iz barija in titana, navaja spletna stran The Brighter Side of News. »Feroelektrik pomeni, da ima material prostorsko ločene pozitivne in negativne naboje,« pojasnjuje fizik dr. Akash Bhatnagar iz Centra za inovacije in kompetence SiLi-nano na MLU.

»Ločitev nabojev vodi do asimetrične strukture, ki omogoča proizvodnjo električne energije iz svetlobe.« Za razliko od silicija feroelektrični kristali za ustvarjanje fotovoltaičnega učinka ne potrebujejo tako imenovanega 'PN' spoja, pojasnjuje Bhatnagar. Z drugimi besedami; nobenih pozitivno in negativno nabitih plasti. Zaradi tega naj bi bila izdelava solarnih panelov veliko lažja.

Vendar pa čisti barijev titanat ne absorbira veliko sončne svetlobe in posledično ustvarja razmeroma majhen električni tok. Najnovejše raziskave so pokazale, da kombinacija izjemno tankih plasti različnih materialov znatno poveča izkoristek sončne energije. »Pri tem je pomembno, da se feroelektrični material izmenjuje s paraelektričnim materialom. Čeprav slednji nima ločenih nabojev, lahko pod določenimi pogoji, na primer pri nizkih temperaturah ali če je njegova kemijska struktura nekoliko spremenjena, postane feroelektričen,« pojasnjuje Bhatnagar.

Bhatnagarjeva raziskovalna skupina je odkrila, da se fotonapetostni učinek močno poveča, če se feroelektrična plast ne izmenjuje le z eno, temveč z dvema različnima paraelektričnima plastema. Yeseul Yun, doktorski študent na MLU in prvi avtor študije, pojasnjuje: »Barijev titanat smo vgradili med stroncijev titanat in kalcijev titanat. To smo dosegli tako, da smo kristale uparili z visokozmogljivim laserjem in jih ponovno namestili na nosilne podlage. Tako smo dobili material iz 500 plasti, ki so debele približno 200 nanometrov.«

Elektroni lažje tečejo

Pri izvajanju fotoelektričnih meritev je bil novi material obsevan z lasersko svetlobo. Rezultat je presenetil celo raziskovalno skupino. V primerjavi s čistim barijevim titanatom podobne debeline je bil tok do 1000-krat močnejši in to kljub temu, da se je delež barijevega titanata kot glavne fotoelektrične komponente zmanjšal za skoraj dve tretjini, navaja The Brighter Side of News.

»Zdi se, da interakcija med plastmi rešetke povzroči veliko večjo prepustnost. Z drugimi besedami; elektroni lahko zaradi vzbujanja s svetlobnimi fotoni veliko lažje tečejo,« pojasnjuje Bhatnagar. Meritve so pokazale tudi, da je ta učinek zelo trden: V obdobju šestih mesecev je ostal skoraj nespremenjen.

Sedaj je treba opraviti nadaljnje raziskave, da bi natančno ugotovili, kaj povzroča izjemen fotoelektrični učinek. Bhatnagar je prepričan, da se lahko potencial, ki ga je pokazal novi koncept, praktično uporabi v solarnih panelih. »Struktura plasti kaže večji izkoristek v vseh temperaturnih območjih kot čisti feroelektriki. Kristali so tudi bistveno trajnejši in ne potrebujejo posebnega pakiranja.«