Natuurkundigen van de Universiteit van Warwick hebben vandaag, Donderdag 19 april 2018, publiceerde nieuw onderzoek in de fournal Wetenschap vandaag 19 april 2018 (via de eerste uitgave-pagina's van het tijdschrift) die letterlijk meer kracht uit zonnecellen zou kunnen persen door elk van de kristallen in de halfgeleiders die door fotovoltaïsche cellen worden gebruikt fysiek te vervormen.

Het artikel met de titel "Flexo-Photovoltaic Effect" is geschreven door professor Marin Alexe, Ming Min Yang, en Dong Jik Kim, die allemaal zijn gevestigd in de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick.

De Warwick-onderzoekers keken naar de fysieke beperkingen van het huidige ontwerp van de meeste commerciële zonnecellen die een absolute limiet stellen aan hun efficiëntie. De meeste commerciële zonnecellen bestaan ​​uit twee lagen die op hun grens een verbinding vormen tussen twee soorten halfgeleiders, p-type met positieve ladingsdragers (gaten die gevuld kunnen worden door elektronen) 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 zullen de foto-exit dragers eenvoudig snel recombineren, waardoor elke elektrische lading wordt geëlimineerd.

Die verbinding tussen de twee halfgeleiders is van fundamenteel belang om stroom uit zo'n zonnecel te halen, maar er is een efficiëntielimiet. Deze Shockley-Queisser Limit houdt in dat van al het vermogen in zonlicht dat onder ideale omstandigheden op een ideale zonnecel valt, slechts maximaal 33,7% ooit in elektriciteit kan worden omgezet.

Er is echter een andere manier waarop sommige materialen ladingen kunnen verzamelen die worden geproduceerd door de fotonen van de zon of van elders. Het bulk fotovoltaïsche effect treedt op in bepaalde halfgeleiders en isolatoren waar hun gebrek aan perfecte symmetrie rond hun centrale punt (hun niet-centrosymmetrische structuur) het genereren van spanning mogelijk maakt die in werkelijkheid groter kan zijn dan de bandafstand van dat materiaal (de bandafstand is de kloof tussen het hoogste bereik van elektronenenergieën van de valentieband waarin elektronen normaal aanwezig zijn bij de temperatuur van het absolute nulpunt en de geleidingsband waar elektriciteit kan stromen).

Helaas hebben de materialen waarvan bekend is dat ze het afwijkende fotovoltaïsche effect vertonen, een zeer lage energieopwekkingsefficiëntie, en worden nooit gebruikt in praktische energieopwekkingssystemen.

Het Warwick-team vroeg zich af of het mogelijk was om de halfgeleiders die effectief zijn in commerciële zonnecellen te nemen en ze op de een of andere manier te manipuleren of te duwen, zodat ze ook in een niet-centrosymmetrische structuur kunnen worden gedwongen en mogelijk daarom ook kunnen profiteren van het bulk fotovoltaïsche effect .

Voor dit artikel besloten ze om te proberen dergelijke halfgeleiders letterlijk in vorm te duwen met behulp van geleidende tips van atomaire krachtmicroscopie-apparaten naar een "nano-indenter" die ze vervolgens gebruikten om individuele kristallen van strontiumtitanaat (SrTiO3) te persen en te vervormen. Titaandioxide (TiO2), en silicium (Si).

Ze ontdekten dat ze alle drie op deze manier konden worden vervormd om ze ook een niet-centrosymmetrische structuur te geven en dat ze dan inderdaad in staat waren om het bulk fotovoltaïsche effect te geven.

Professor Marin Alexe van de Universiteit van Warwick zei:

"Het uitbreiden van het bereik van materialen die kunnen profiteren van het bulk fotovoltaïsche effect heeft verschillende voordelen:het is niet nodig om een ​​soort knooppunt te vormen; elke halfgeleider met een betere lichtabsorptie kan worden geselecteerd voor zonnecellen, en tenslotte, de ultieme thermodynamische limiet van de energieconversie-efficiëntie, zogenaamde Shockley-Queisser-limiet, kan worden overwonnen. Er zijn technische uitdagingen, maar het moet mogelijk zijn om zonnecellen te maken waarbij een veld van eenvoudige op glas gebaseerde tips (honderd miljoen per cm2) onder spanning kan worden gehouden om elk halfgeleiderkristal voldoende te vervormen. Als dergelijke toekomstige engineering zelfs maar één procentpunt aan efficiëntie zou kunnen toevoegen, zou het van enorme commerciële waarde zijn voor zonnecelfabrikanten en stroomleveranciers."