Nyt materiale lover bedre solceller

Forskere ved Wiens teknologiske universitet viser, at en nyligt opdaget klasse af materialer kan bruges til at skabe en ny slags solcelle.

Enkelte atomlag kombineres for at skabe nye materialer med helt nye egenskaber. Lagdelte oxidheterostrukturer er en ny klasse af materialer, som har tiltrukket sig stor opmærksomhed blandt materialeforskere i de sidste par år. Et forskerhold ved Wiens teknologiske universitet, sammen med kolleger fra USA og Tyskland, har nu vist, at disse heterostrukturer kan bruges til at skabe en ny slags ekstremt effektive ultratynde solceller.

Opdagelse af nye materialeegenskaber i computersimuleringer

"Enkelte atomlag af forskellige oxider er stablet, at skabe et materiale med elektroniske egenskaber, som er vidt forskellige fra de egenskaber, de enkelte oxider har alene", siger professor Karsten Held fra Institut for Faststoffysik, Wiens teknologiske universitet. For at designe nye materialer med de helt rigtige fysiske egenskaber, strukturerne blev undersøgt i storskala computersimuleringer. Som et resultat af denne forskning, forskerne ved TU Wien opdagede, at oxid-heterostrukturerne rummer et stort potentiale til at bygge solceller.

Gør lys til elektricitet

Grundtanken bag solceller er den fotoelektriske effekt. Dens enkleste version blev allerede forklaret af Albert Einstein i 1905:når en foton absorberes, det kan få en elektron til at forlade sin plads og elektrisk strøm begynder at flyde. Når en elektron fjernes, et positivt ladet område bliver tilbage – et såkaldt "hul". Både de negativt ladede elektroner samt hullerne bidrager til den elektriske strøm.

"Hvis disse elektroner og huller i solcellen rekombinerer i stedet for at blive transporteret væk, der sker ikke noget, og energien kan ikke bruges", siger Elias Assmann, som udførte en stor del af computersimuleringerne på TU Wien. "Den afgørende fordel ved det nye materiale er, at i mikroskopisk skala, der er et elektrisk felt inde i materialet, som adskiller elektroner og huller." Dette øger solcellens effektivitet.

To isolatorer laver et metal

Oxiderne, der bruges til at skabe materialet, er faktisk isolatorer. Imidlertid, hvis to passende typer isolatorer er stablet, en forbløffende effekt kan observeres:materialets overflader bliver metalliske og leder elektrisk strøm. "For os, dette er meget vigtigt. Denne effekt giver os mulighed for bekvemt at udtrække ladningsbærerne og skabe et elektrisk kredsløb", siger Karsten Held. Konventionelle solceller lavet af silicium kræver metalledninger på deres overflade for at opsamle ladningsbærerne - men disse ledninger blokerer for en del af lyset i at trænge ind i solcellen.

Ikke alle fotoner omdannes til elektrisk strøm med samme effektivitet. For forskellige farver af lys, forskellige materialer fungerer bedst. "Oxidheterostrukturerne kan tunes ved at vælge præcis de rigtige kemiske grundstoffer", siger professor Blaha (TU Wien). I computersimuleringerne, oxider indeholdende lanthan og vanadium blev undersøgt, fordi materialerne på den måde fungerer særligt godt sammen med solens naturlige lys. "Det er endda muligt at kombinere forskellige slags materialer, så forskellige farver af lys kan absorberes i forskellige lag af solcellen med maksimal effektivitet", siger Elias Assmann.

Omsætte teori i praksis

Holdet fra TU Wien blev assisteret af Satoshi Okamoto (Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA) og professor Giorgio Sangiovanni, en tidligere ansat ved TU Wien, som nu arbejder på Würzburg Universitet, Tyskland. I Würzburg, de nye solceller skal nu bygges og testes. "Produktionen af ​​disse solceller lavet af oxidlag er mere kompliceret end at lave standard siliciumsolceller. Men hvor der kræves ekstrem høj effektivitet eller minimal tykkelse, de nye strukturer skulle kunne erstatte siliciumceller", mener Karsten Held.