Forskere ved Martin Luther University Halle-Wittenberg opnåede en stigning i ferroelektriske krystallers fotovoltaiske effekt med en faktor 10 ved at skabe krystallinske lag af bariumtitanat, strontiumtitanat og calciumtitanat, som de skiftevis placerede oven på hinanden. Resultaterne, der er blevet offentliggjort i tidsskriftet Science Advances, kunne øge solcellernes effektivitet betydeligt.
I deres forskningsresultater forklarede forskerne, at de fleste solceller i øjeblikket er siliciumbaserede, hvilket betyder, at deres effektivitet er begrænset. Det var dette, der fik dem til at undersøge egenskaberne ved bariumtitanat, der er et blandet oxid fremstillet af barium og titanium.
Ferroelektrisk betyder, at materialet har adskilte positive og negative ladninger, fortæller Akash Bhatnagar, der er medforfatter af undersøgelsen.
Ladningsseparationen fører til en asymmetrisk struktur, der gør det muligt at generere elektricitet fra lys. I modsætning til silicium kræver ferroelektriske krystaller ikke et såkaldt pn-kryds for at skabe den fotovoltaiske effekt; med andre ord, der er ingen positivt og negativt dopede lag. Dette gør det meget lettere at producere solpaneler.
Bhatnagar forklarer, at rent bariumtitanat ikke absorberer meget sollys og derfor genererer en forholdsvis lav fotostrøm. Den seneste forskning har imidlertid vist, at kombinationen af ekstremt tynde lag af forskellige materialer øger solenergiudbyttet betydeligt.
Det vigtige her er, at et ferroelektrisk materiale skiftes med et paraelektrisk materiale. Selvom sidstnævnte ikke har adskilte ladninger, kan det blive ferroelektrisk under visse betingelser, for eksempel ved lave temperaturer eller når dets kemiske struktur er lidt ændret, udtaler fysikeren.
Bhatnagars forskningsgruppe opdagede, at den fotovoltaiske effekt forstærkes kraftigt, hvis det ferroelektriske lag ikke kun veksler med et – men med to forskellige paraelektriske lag.
Således indlejrede de bariumtitanatet mellem strontiumtitanat og calciumtitanat. Dette blev opnået ved at fordampe krystallerne med en laser med høj effekt og deponere dem på bærersubstrater. Dette frembragte et materiale fremstillet af 500 lag, der er omkring 200 nanometer tykke.
Ved udførelse af de fotoelektriske målinger blev det nye materiale bestrålet med laserlys. Resultatet var uventet: i forhold til rent bariumtitanat af en lignende tykkelse var strømmen op til 10 gange stærkere – og dette selvom andelen af bariumtitanat som den vigtigste fotoelektriske komponent blev reduceret med næsten to tredjedele.
Interaktionen mellem gitterlagene ser ud til at føre til en meget højere permittivitet – med andre ord er elektronerne i stand til at flyde meget lettere på grund af excitationen fra de lette fotoner, fortæller Bhatnagar.
Målingerne viste også, at denne effekt er meget robust: den forblev næsten konstant over en periode på seks måneder.
Der skal nu foretages yderligere undersøgelser for at finde ud af præcis, hvad der forårsager den enestående fotoelektriske effekt. Alligevel er Bhatnagar overbevist om, at det potentiale, det nye koncept viser, kan bruges til praktiske anvendelser i solpaneler.
Lagstrukturen viser et højere udbytte i alle temperaturområder end ren ferroelektrisk. Krystallerne er også betydeligt mere holdbare og kræver ikke særlig emballage, siger han afslutningsvis.
Kilde: http://www.mining.com
