Zonnecellen en lichtdetectietechnologieën kunnen efficiënter worden gemaakt door gebruik te maken van een ongebruikelijke eigenschap als gevolg van vervormingen en defecten in hun structuren.

Onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick hebben ontdekt dat de spanningsgradiënt (d.w.z. inhomogene spanning) in de zonnecellen, door fysieke kracht of veroorzaakt tijdens het fabricageproces, kan voorkomen dat foto-opgewonden dragers recombineren, wat leidt tot een verbeterde efficiëntie van de omzetting van zonne-energie. De resultaten van hun experimenten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het team van wetenschappers gebruikte een epitaxiale dunne film van BiFeO3 gekweekt op LaAlO3-substraat om de impact van inhomogene vervorming op het vermogen van de film om licht om te zetten in elektriciteit te bepalen door te onderzoeken hoe de spanningsgradiënt het vermogen om foto-geëxciteerde dragers te scheiden beïnvloedt.

De meeste commerciële zonnecellen bestaan ​​uit twee lagen die op hun grens een verbinding vormen tussen twee soorten halfgeleiders, p-type met positieve ladingsdragers (elektronenvacatures) en n-type met negatieve ladingsdragers (elektronen). Wanneer licht wordt geabsorbeerd, de kruising van de twee halfgeleiders ondersteunt een intern veld dat de foto-geëxciteerde dragers in tegengestelde richtingen splitst, het genereren van een stroom en spanning over de kruising. Zonder dergelijke knooppunten kan de energie niet worden geoogst en de foto-geëxciteerde dragers zullen eenvoudig snel recombineren, waardoor elke elektrische lading wordt geëlimineerd.

Ze ontdekten dat de rekgradiënt recombinatie kan helpen voorkomen door de door licht opgewekte elektronengaten te scheiden, verbetering van de conversie-efficiëntie van de zonnecellen. De BiFeO3/LaAlO3-film vertoonde ook enkele interessante foto-elektrische effecten, zoals aanhoudende fotogeleiding (verbeterde elektrische geleidbaarheid). Het heeft potentiële toepassingen in UV-lichtsensoren, actuatoren en transducers.

Dr. Mingmin Yang van de Universiteit van Warwick zei:"Dit werk demonstreerde de cruciale rol van de spanningsgradiënt bij het mediëren van lokale foto-elektrische eigenschappen, die voorheen grotendeels over het hoofd werd gezien. Door foto-elektrische technologieën te ontwikkelen om voordeel te halen uit de spanningsgradiënt, we kunnen mogelijk de conversie-efficiëntie van zonnecellen verhogen en de gevoeligheid van lichtsensoren verbeteren.

"Een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden, zijn de korrelgrenzen in polykristallijne zonnecellen. defecten stapelen zich op aan de korrelgrenzen, die recombinatie van fotodragers zou induceren, het beperken van de efficiëntie. Echter, in sommige polykristallijne zonnecellen, zoals CdTe-zonnecellen, de korrelgrenzen zouden het verzamelen van fotodragers bevorderen, waar de gigantische spanningsgradiënt een belangrijke rol zou kunnen spelen. Daarom, we moeten aandacht besteden aan de lokale spanningsgradiënt wanneer we de structuur-eigenschappen relaties in zonnecellen en lichtsensormaterialen bestuderen."

Eerder, het effect van deze spanning op de efficiëntie werd als verwaarloosbaar beschouwd. Met de toenemende miniaturisering van technologieën, het effect van de spanningsgradiënt wordt vergroot bij kleinere afmetingen. Dus bij het verkleinen van een apparaat met een van deze films, de grootte van de spanningsgradiënt neemt dramatisch toe.

Dr. Yang voegt toe:"Het door de spanningsgradiënt geïnduceerde effect, zoals flexo-fotovoltaïsch effect, ionische migratie, enzovoort, zou steeds belangrijker worden bij lage afmetingen."