(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van Berkeley Lab hebben een nieuw mechanisme gevonden waarmee het fotovoltaïsche effect kan plaatsvinden in dunne halfgeleiderfilms. Dit nieuwe pad naar energieproductie fleurt de toekomst voor fotovoltaïsche technologie op door de spanningsbeperkingen te overwinnen die conventionele solid-state zonnecellen teisteren.

Een nieuw ontdekt pad voor de omzetting van zonlicht in elektriciteit zou de toekomst voor fotovoltaïsche technologie kunnen opfleuren. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben een nieuw mechanisme gevonden waarmee het fotovoltaïsche effect kan plaatsvinden in dunne halfgeleiderfilms. Deze nieuwe route naar energieproductie overwint de bandgap-spanningsbeperking die conventionele solid-state zonnecellen blijft teisteren.

Werken met bismutferriet, een keramiek gemaakt van bismut, ijzer en zuurstof dat multiferroïsch is - wat betekent dat het tegelijkertijd zowel ferro-elektrische als ferromagnetische eigenschappen vertoont - ontdekten de onderzoekers dat het fotovoltaïsche effect spontaan kan ontstaan ​​op nanoschaal als gevolg van de rhomboëdrisch vervormde kristalstructuur van het keramiek. Verder, ze toonden aan dat het aanleggen van een elektrisch veld het mogelijk maakt om deze kristalstructuur te manipuleren en zo de fotovoltaïsche eigenschappen te beheersen.

"We zijn verheugd om functionaliteit te vinden die nog niet eerder op nanoschaal is gezien in een multiferroïsch materiaal, zei Jan Seidel, een fysicus die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de UC Berkeley Physics Department. "We werken nu aan de overdracht van dit concept naar apparaten die verband houden met energieonderzoek met een hoger rendement."

Seidel is een van de hoofdauteurs van een artikel in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie dat dit werk beschrijft met de titel, "Boven-bandgap-spanningen van ferro-elektrische fotovoltaïsche apparaten." Co-auteur van dit artikel met Seidel waren Seung-Yeul Yang, Steven Byrnes, Padraïsche Shafer, Chan Ho Yang, Marta Rossel, Pu Yu, Ying-Hao Chu, James Scott, Joël Ager, Lane Martin en Ramamoorthy Ramesh.

Het hart van conventionele vastestof zonnecellen is een pn-overgang, de interface tussen een halfgeleiderlaag met een overvloed aan positief geladen "gaten, ” en een laag met een overvloed aan negatief geladen elektronen. Wanneer fotonen van de zon worden geabsorbeerd, hun energie creëert elektron-gatparen die kunnen worden gescheiden binnen een "uitputtingszone, ” een microscopisch gebied bij de pn-overgang van slechts een paar micrometer breed, vervolgens verzameld als elektriciteit. Om dit proces te laten plaatsvinden, echter, de fotonen moeten het materiaal doordringen tot in de uitputtingszone en hun energie moet precies overeenkomen met de energie van de elektronische bandgap van de halfgeleider - de kloof tussen de valentie- en geleidingsenergiebanden waar geen elektronentoestanden kunnen bestaan.

“De maximale spanning die conventionele solid-state fotovoltaïsche apparaten kunnen produceren, is gelijk aan de energie van hun elektronische bandgap, Zegt Seidel. “Zelfs voor zogenaamde tandemcellen, waarin verschillende halfgeleider pn-overgangen zijn gestapeld, fotospanningen zijn nog steeds beperkt vanwege de eindige penetratiediepte van licht in het materiaal.”

Werkend via het Helios Solar Energy Research Center van Berkeley Lab, Seidel en zijn medewerkers ontdekten dat door wit licht toe te passen op bismutferriet, een materiaal dat zowel ferro-elektrisch als antiferromagnetisch is, ze konden fotovoltages genereren binnen submicroscopische gebieden tussen één en twee nanometer breed. Deze fotovoltages waren significant hoger dan de elektronische bandgap van bismutferriet.

“De bandgap-energie van het bismutferriet is gelijk aan 2,7 volt. Uit onze metingen weten we dat we met ons mechanisme ongeveer 16 volt kunnen krijgen over een afstand van 200 micron. Verder, deze spanning is in principe lineair schaalbaar, wat betekent dat grotere afstanden tot hogere spanningen moeten leiden.”

Achter dit nieuwe mechanisme voor het genereren van fotospanning bevinden zich domeinwanden - tweedimensionale platen die door een multiferroïcum lopen en dienen als overgangszones, het scheiden van gebieden met verschillende ferromagnetische of ferro-elektrische eigenschappen. In hun studie hebben Seidel en zijn medewerkers ontdekten dat deze domeinwanden hetzelfde doel van scheiding van elektronen en gaten kunnen dienen als uitputtingszones, alleen met duidelijke voordelen.

“De veel kleinere schaal van deze domeinmuren maakt het mogelijk dat een groot aantal ervan lateraal (zijwaarts) kan worden gestapeld en toch door het licht kan worden bereikt, Zegt Seidel. "Dit maakt het op zijn beurt mogelijk om de fotospanningswaarden ruim boven de elektronische bandgap van het materiaal te verhogen."

Het fotovoltaïsche effect ontstaat doordat bij de domeinwanden de polarisatierichting van het bismutferriet verandert, wat leidt tot stappen in de elektrostatische potentiaal. Door gloeibehandelingen van het substraat waarop bismutferriet wordt gekweekt, de rhomboëdrische kristallen van het materiaal kunnen worden geïnduceerd om domeinwanden te vormen die de richting van de polarisatie van het elektrische veld veranderen met 71, 109 of 180 graden. Seidel en zijn medewerkers maten de fotospanningen die werden gecreëerd door de domeinmuren van 71 en 109 graden.

"De domeinwanden van 71 graden vertoonden unidirectionele polarisatie-uitlijning in het vlak en produceerden een uitgelijnde reeks potentiële spanningsstappen, Zegt Seidel. “Hoewel de potentiële stap op het domein van 109 graden hoger was dan het domein van 71 graden, het toonde twee varianten van de polarisatie in het vlak die in tegengestelde richtingen liepen.”

Seidel en zijn collega's waren ook in staat om een ​​elektrische puls van 200 volt te gebruiken om de polariteit van het fotovoltaïsche effect om te keren of helemaal uit te schakelen. Een dergelijke beheersbaarheid van het fotovoltaïsche effect is nooit gerapporteerd in conventionele fotovoltaïsche systemen, en het maakt de weg vrij voor nieuwe toepassingen in nano-optica en nano-elektronica.

“Hoewel we deze mogelijke nieuwe toepassingen en apparaten nog niet hebben gedemonstreerd, we geloven dat ons onderzoek concepten en gedachten zal stimuleren die gebaseerd zijn op deze nieuwe richting voor het fotovoltaïsche effect, Zegt Seidel.