Ny forskning kan bogstaveligt talt presse mere strøm ud af solceller

Fysikere ved University of Warwick har i dag, Torsdag den 19. april 2018, offentliggjort ny forskning i fournal Videnskab i dag 19. april 2018 (via Journal's First Release sider), der bogstaveligt talt kunne presse mere strøm ud af solceller ved fysisk at deformere hver af krystallerne i halvlederne, der bruges af fotovoltaiske celler.

Papiret med titlen "Flexo-Photovoltaic Effect" blev skrevet af professor Marin Alexe, Ming-Min Yang, og Dong Jik Kim, der alle er baseret på University of Warwick's Department of Physics.

Warwick -forskerne kiggede på de fysiske begrænsninger for det nuværende design af de fleste kommercielle solceller, som sætter en absolut grænse for deres effektivitet. De fleste kommercielle solceller er dannet af to lag, der ved deres grænse skaber et kryds mellem to slags halvledere, p-type med positive ladningsbærere (huller, der kan fyldes af elektroner) og n-type med negative ladningsbærere (elektroner).

Når lys absorberes, krydset mellem de to halvledere opretholder et indre felt, der deler de foto-spændte bærere i modsatte retninger, generere en strøm og spænding over krydset. Uden sådanne kryds kan energien ikke høstes, og de fotoførede bærere vil simpelthen hurtigt rekombine og fjerne enhver elektrisk ladning.

Denne forbindelse mellem de to halvledere er grundlæggende for at få strøm ud af en sådan solcelle, men den kommer med en effektivitetsgrænse. Denne Shockley-Queisser-grænse betyder, at af al den strøm, der er i sollys, der falder på en ideel solcelle under ideelle forhold, kan maksimalt 33,7% nogensinde blive til elektricitet.

Der er imidlertid en anden måde, hvorpå nogle materialer kan indsamle ladninger produceret af solens fotoner eller andre steder. Den store fotovoltaiske effekt forekommer i visse halvledere og isolatorer, hvor deres mangel på perfekt symmetri omkring deres centrale punkt (deres ikke-centrosymmetriske struktur) tillader generering af spænding, der faktisk kan være større end båndgabet for dette materiale (båndgabet er hullet mellem valensbåndets højeste område af elektronenergier, hvor elektroner normalt er til stede ved absolut nultemperatur og ledningsbåndet, hvor elektricitet kan strømme).

Desværre har de materialer, der vides at udvise den uregelmæssige fotovoltaiske effekt, meget lav effektproduktionseffektivitet, og bruges aldrig i praktiske energiproduktionssystemer.

Warwick-teamet spekulerede på, om det var muligt at tage de halvledere, der er effektive i kommercielle solceller, og manipulere eller skubbe dem på en eller anden måde, så de også kunne tvinges ind i en ikke-centrosymmetrisk struktur og muligvis derfor også drage fordel af den store fotovoltaiske effekt .

Til dette papir besluttede de at prøve bogstaveligt talt at skubbe sådanne halvledere i form ved hjælp af ledende spidser fra atomkraftmikroskopi-enheder til et "nano-indenter", som de derefter brugte til at presse og deformere individuelle krystaller af Strontium Titanate (SrTiO3), Titandioxid (TiO2), og silicium (Si).

De fandt ud af, at alle tre kunne deformeres på denne måde for også at give dem en ikke-centrosymmetrisk struktur, og at de faktisk var i stand til at give den store fotovoltaiske effekt.

Professor Marin Alexe fra University of Warwick sagde:

"Udvidelse af materialesortimentet, der kan drage fordel af den store fotovoltaiske effekt, har flere fordele:det er ikke nødvendigt at danne nogen form for kryds; enhver halvleder med bedre lysabsorbering kan vælges til solceller, og endelig, den ultimative termodynamiske grænse for effektkonverteringseffektiviteten, såkaldt Shockley-Queisser Limit, kan overvindes. Der er ingeniørmæssige udfordringer, men det bør være muligt at oprette solceller, hvor et felt med simple glasbaserede spidser (hundrede millioner pr. Cm2) kunne holdes i spænd for at deformere hver halvlederkrystal tilstrækkeligt. Hvis en sådan fremtidig konstruktion kun kunne tilføre et enkelt procentpoint af effektivitet, ville det have enorm kommerciel værdi for solcelleproducenter og strømleverandører. "