Ny vej til solenergi via solcelleanlæg

(PhysOrg.com)-Berkeley Lab-forskere har fundet en ny mekanisme, hvormed den fotovoltaiske effekt kan finde sted i halvleder tynde film. Denne nye vej til energiproduktion lyser fremtiden for fotovoltaisk teknologi ved at overvinde spændingsbegrænsninger, der plager konventionelle solceller i solid state.

En nyligt opdaget vej til konvertering af sollys til elektricitet kan lysne fremtiden for fotovoltaisk teknologi. Forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fundet en ny mekanisme, hvormed den fotovoltaiske effekt kan finde sted i halvleder tynde film. Denne nye vej til energiproduktion overvinder båndspændingsbegrænsningen, der fortsat plager konventionelle solceller i solid state.

Arbejde med vismutferrit, en keramik lavet af vismut, jern og ilt, der er multiferroisk - hvilket betyder, at det samtidigt viser både ferroelektriske og ferromagnetiske egenskaber - forskerne opdagede, at den fotovoltaiske effekt spontant kan opstå i nanoskalaen som et resultat af keramikkens rhombohedrisk forvrængede krystalstruktur. Desuden, de demonstrerede, at anvendelsen af ​​et elektrisk felt gør det muligt at manipulere denne krystalstruktur og derved kontrollere fotovoltaiske egenskaber.

"Vi er begejstrede for at finde funktionalitet, der ikke er set før på nanoskalaen i et multiferroisk materiale, ”Sagde Jan Seidel, en fysiker, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeley Physics Department. "Vi arbejder nu på at overføre dette koncept til højere energieffektivitetsrelaterede enheder."

Seidel er en af ​​hovedforfatterne til et papir i tidsskriftet Naturnanoteknologi der beskriver dette værk med titlen, "Overspændingsspændinger over ferroelektriske fotovoltaiske enheder." Medforfatter af dette papir med Seidel var Seung-Yeul Yang, Steven Byrnes, Padraic Shafer, Chan-Ho Yang, Marta Rossell, Pu Yu, Ying-Hao Chu, James Scott, Joel Ager, Lane Martin og Ramamoorthy Ramesh.

I hjertet af konventionelle solceller i fast tilstand er et p-n-kryds, grænsefladen mellem et halvlederlag med en overflod af positivt ladede “huller, ”Og et lag med en overflod af negativt ladede elektroner. Når fotoner fra solen absorberes, deres energi skaber elektronhullepar, der kan adskilles inden for en "udtømningszone, ”Et mikroskopisk område ved p-n-krydset, der kun måler et par mikrometer på tværs, derefter indsamlet som elektricitet. For at denne proces kan finde sted, imidlertid, fotonerne skal trænge ind i materialet til udtømningszonen, og deres energi skal nøjagtigt matche energien i halvlederens elektroniske båndgab - afstanden mellem dens valens- og ledningsenergibånd, hvor der ikke kan eksistere elektrontilstande.

“Den maksimale spænding, konventionelle solcelle-fotovoltaiske enheder kan producere, er lig energien i deres elektroniske båndgap, ”Siger Seidel. ”Selv for såkaldte tandemceller, hvor flere halvleder-p-n-kryds er stablet, fotovoltager er stadig begrænset på grund af den begrænsede indtrængningsdybde af lys i materialet. ”

Arbejder gennem Berkeley Labs Helios Solar Energy Research Center, Seidel og hans samarbejdspartnere opdagede, at ved at anvende hvidt lys på bismuthferrit, et materiale, der er både ferroelektrisk og antiferromagnetisk, de kunne generere fotovoltager inden for submikroskopiske områder mellem en og to nanometer på tværs. Disse fotovoltager var betydeligt højere end bismuthferritets elektroniske båndgap.

”Bismutferritens båndgapenergi svarer til 2,7 volt. Fra vores målinger ved vi, at vi med vores mekanisme kan få cirka 16 volt over en afstand på 200 mikron. Desuden, denne spænding er i princippet lineær skalerbar, hvilket betyder, at større afstande bør føre til højere spændinger. ”

Bag denne nye mekanisme til fotovoltage -generation er domænevægge - todimensionale ark, der løber gennem en multiferroic og fungerer som overgangszoner, adskiller regioner med forskellige ferromagnetiske eller ferroelektriske egenskaber. I deres undersøgelse, Seidel og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at disse domænevægge kun kan tjene det samme elektronhuls adskillelsesformål som udtømningszoner med forskellige fordele.

”Den meget mindre skala af disse domænevægge gør det muligt for mange af dem at blive stablet sidelæns (sidelæns) og stadig nås af lys, ”Siger Seidel. "Dette gør det igen muligt at øge værdierne for fotovoltage langt over materialets elektroniske båndgab."

Den fotovoltaiske effekt opstår, fordi bismuthferritens polariseringsretning ændrer sig ved domænevæggene, hvilket fører til trin i det elektrostatiske potentiale. Gennem annealbehandlinger af det substrat, hvorpå der dyrkes bismuthferrit, materialets rhombohedrale krystaller kan induceres til at danne domænevægge, der ændrer retningen af ​​elektrisk feltpolarisering med enten 71, 109 eller 180 grader. Seidel og hans samarbejdspartnere målte fotovoltagerne skabt af domænet vægge på 71 og 109 grader.

"De 71 graders domæne vægge viste ensrettet in-plane polarisationsjustering og producerede en justeret række af potentielle spændingstrin, ”Siger Seidel. "Selvom det potentielle trin på 109 graders domæne var højere end 71 graders domæne, det viste to varianter af in-plane polarisering, der løb i modsatte retninger. ”

Seidel og hans kolleger var også i stand til at bruge en 200 volt elektrisk puls til enten at vende polariteten af ​​den fotovoltaiske effekt eller helt deaktivere den. En sådan kontrollerbarhed af den fotovoltaiske effekt er aldrig blevet rapporteret i konventionelle solcelleanlæg, og det baner vejen for nye applikationer inden for nano-optik og nano-elektronik.

”Selvom vi endnu ikke har demonstreret disse mulige nye applikationer og enheder, vi tror på, at vores forskning vil stimulere begreber og tanker, der er baseret på denne nye retning for den fotovoltaiske effekt, ”Siger Seidel.