Naukowcy badają masowy efekt fotowoltaiczny w obiecującym materiale na potrzeby przyszłych technologii pozyskiwania energii słonecznej.
Efekt fotowoltaiczny w masie (BPV) to rzadkie zjawisko, które może pozwolić niektórym materiałom na przekroczenie wydajności tradycyjnych złączy p–n w ogniwach słonecznych. W ramach niedawnego przełomu naukowcy z Japonii potwierdzili eksperymentalnie wpływ BPV na selenek indu w fazie alfa (α-In2Se3) po raz pierwszy wzdłuż kierunku poza płaszczyzną, zgodnie z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi. Imponująca wydajność konwersji osiągnięta w modelu α-In2Se3 urządzenie stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie technologii ogniw słonecznych i fotoczujników nowej generacji.
Dokładne zrozumienie efektu fotowoltaicznego, dzięki któremu światło może zostać przekształcone w użyteczną energię elektryczną, leży u podstaw projektowania i rozwoju ogniw słonecznych. Obecnie większość ogniw słonecznych wykorzystuje złącza p–n, wykorzystując efekt fotowoltaiczny występujący na styku różnych materiałów. Jednak takie projekty są ograniczone limitem Shockleya-Queissera, który mocno ogranicza ich teoretyczną maksymalną wydajność konwersji energii słonecznej i narzuca kompromis między napięciem i prądem, który może być wytworzony w wyniku efektu fotowoltaicznego.
Badanie efektu BPV w materiałach krystalicznych
Jednakże niektóre materiały krystaliczne wykazują intrygujące zjawisko znane jako efekt fotowoltaiczny w masie (BPV). W materiałach pozbawionych wewnętrznej symetrii elektrony wzbudzone światłem mogą poruszać się spójnie w określonym kierunku, zamiast wracać do swoich pierwotnych pozycji. W rezultacie powstają tzw. „prądy przesunięcia”, prowadzące do powstania efektu BPV. Chociaż eksperci przewidywali, że selenek indu w fazie alfa (α-In2Se3), aby być potencjalnym kandydatem do zademonstrowania tego zjawiska, nie zostało ono jeszcze zbadane eksperymentalnie.
Aby wypełnić tę lukę w wiedzy, zespół badawczy z Japonii kierowany przez profesora nadzwyczajnego Noriyuki Urakami z Uniwersytetu Shinshu postanowił zbadać efekt BPV w α-In2Se3. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Litery fizyki stosowanej.
„Materiał ten stał się ostatnio gorącym tematem w dziedzinie fizyki materii skondensowanej, ponieważ może być w stanie generować prąd przesunięcia. Nasze badanie jest pierwszym, które eksperymentalnie wykazało tę prognozę” – dzieli prof. Urakami.
Urządzenie warstwowe α-In2Se3
Najpierw badacze stworzyli warstwowe urządzenie składające się z cienkiego α-In2Se3 warstwa umieszczona pomiędzy dwiema przezroczystymi warstwami grafitu. Te warstwy grafitu służyły jako elektrody i były podłączone do źródła napięcia i amperomierza w celu pomiaru prądu generowanego pod wpływem napromieniowania światłem. Warto zauważyć, że zespół zastosował ten specyficzny układ warstw, ponieważ skupił się na prądach przesunięcia występujących w kierunku poza płaszczyzną w α-In2Se3 warstwa.
Po przetestowaniu różnych napięć zewnętrznych i padającego światła o różnych częstotliwościach badacze zweryfikowali istnienie prądów przesunięcia w kierunku pozapłaszczyznowym, potwierdzając powyższe przewidywania. Efekt BPV występował w szerokim zakresie częstotliwości światła.
Co najważniejsze, badacze ocenili potencjał efektu BPV w α-In2Se3 i porównał go z wynikami innych materiałów. „Nasz α-In2Se3 Urządzenie wykazało wydajność kwantową o kilka rzędów wielkości wyższą niż w przypadku innych materiałów ferroelektrycznych i porównywalną z wydajnością materiałów niskowymiarowych o zwiększonej polaryzacji elektrycznej” – zauważa prof. Urakami. Dodaje dalej: „To odkrycie będzie stanowić wskazówkę w wyborze materiałów do opracowania funkcjonalnych urządzeń fotowoltaicznych w najbliższej przyszłości”.
Zespół badawczy ma nadzieję, że jego wysiłki ostatecznie będą miały pozytywny wpływ na środowisko, wnosząc wkład w dziedzinę wytwarzania energii odnawialnej. „Nasze odkrycia mogą potencjalnie jeszcze bardziej przyspieszyć rozpowszechnianie się ogniw słonecznych, jednej z kluczowych technologii pozyskiwania energii ze środowiska i obiecującej drogi w stronę społeczeństwa neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla” – podsumowuje pełen nadziei profesor Urakami.
Mamy nadzieję, że to badanie toruje drogę do dalszych badań nad wykorzystaniem efektu BVP i znaczną poprawą wydajności ogniw słonecznych, a także udoskonaleniem konstrukcji czułych fotodetektorów.
Odniesienie: „Masowy efekt fotowoltaiczny kryształu selenku indu w fazie alfa (α-In2Se3) wzdłuż kierunku poza płaszczyzną”, Noriyuki Urakami, Sho Ozaki i Yoshio Hashimoto, 14 sierpnia 2024 r., Litery fizyki stosowanej.
DOI: 10.1063/5.0222926
