(Phys.org) —Voor zonnepanelen, het is absoluut noodzakelijk om elke druppel energie uit zoveel mogelijk fotonen te wringen. Dit doel heeft chemie gestuurd, materiaalwetenschap en onderzoekers op het gebied van elektrotechniek op zoek naar een verbetering van de energie-absorptie-efficiëntie van fotovoltaïsche apparaten, maar bestaande technieken lopen nu tegen grenzen aan die gesteld zijn door de wetten van de natuurkunde.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de University of Pennsylvania en de Drexel University hebben experimenteel een nieuw paradigma voor de constructie van zonnecellen aangetoond, waardoor ze uiteindelijk goedkoper kunnen worden, gemakkelijker te produceren en efficiënter in het oogsten van energie uit de zon.

De studie werd geleid door professor Andrew M. Rappe en onderzoeksspecialist Ilya Grinberg van de afdeling Scheikunde van Penn's School of Arts and Sciences, samen met voorzitter Peter K. Davies van de afdeling Materials Science and Engineering van de School of Engineering and Applied Science, en professor Jonathan E. Spanier, van Drexel's Department of Materials Science and Engineering.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Bestaande zonnecellen werken allemaal op dezelfde fundamentele manier:ze absorberen licht, die elektronen opwekt en ervoor zorgt dat ze in een bepaalde richting stromen. Deze stroom van elektronen is elektrische stroom. Maar om een ​​consistente richting van hun beweging vast te stellen, of polariteit, zonnecellen moeten van twee materialen zijn gemaakt. Zodra een aangeslagen elektron het grensvlak oversteekt van het materiaal dat het licht absorbeert naar het materiaal dat de stroom zal geleiden, het kan niet terug, het een richting geven.

"Er is een kleine categorie materialen, echter, dat als je er licht op schijnt, het elektron stijgt in een bepaalde richting op zonder van het ene materiaal naar het andere te hoeven oversteken, " zei Rappe. "We noemen dit het 'bulk' fotovoltaïsche effect, in plaats van het 'interface'-effect dat optreedt in bestaande zonnecellen. Dit fenomeen is bekend sinds de jaren 70, maar we maken zonnecellen niet op deze manier omdat ze alleen zijn aangetoond met ultraviolet licht, en de meeste energie van de zon bevindt zich in het zichtbare en infrarode spectrum."

Het vinden van een materiaal dat het bulk fotovoltaïsche effect voor zichtbaar licht vertoont, zou de constructie van zonnecellen aanzienlijk vereenvoudigen. Bovendien, het zou een manier zijn om een ​​inefficiëntie te omzeilen die inherent is aan grensvlakzonnecellen, bekend als de Shockley-Queisser-limiet, waar een deel van de energie van fotonen verloren gaat terwijl elektronen wachten om de sprong van het ene materiaal naar het andere te maken.

"Denk aan fotonen die van de zon komen als munten die op je neerregenen, met de verschillende frequenties van licht als centen, nikkel, dubbeltjes enzovoort. Een kwaliteit van je lichtabsorberende materiaal, de 'bandgap' genaamd, bepaalt de waarden die je kunt opvangen, "Zei Rappe. "De Shockley-Queisser-limiet zegt dat alles wat je vangt slechts zo waardevol is als de laagste waarde die je bandgap toestaat. Als je een materiaal kiest met een bandgap dat dubbeltjes kan opvangen, je kunt dubbeltjes vangen, kwartjes en zilveren dollars, maar ze zijn allemaal maar het energie-equivalent van 10 cent waard als je ze vangt.

"Als je je limiet te hoog stelt, je krijgt misschien meer waarde per foton, maar vangt in totaal minder fotonen en komt er slechter uit dan wanneer je een lagere denominatie kiest, "zei hij. "Je bandgap instellen om alleen zilveren dollars te vangen, is alsof je alleen UV-licht kunt opvangen. Als je het instelt om kwartjes te vangen, is het alsof je naar het zichtbare spectrum gaat. Je opbrengst is beter, ook al verlies je de meeste energie van de UV die je wel krijgt."

Aangezien geen enkel bekend materiaal het bulk fotovoltaïsche effect voor zichtbaar licht vertoonde, het onderzoeksteam wendde zich tot zijn materiaalwetenschappers om te bedenken hoe een nieuwe zou kunnen worden gevormd en de eigenschappen ervan konden worden gemeten.

Meer dan vijf jaar geleden begonnen, het team begon met theoretisch werk, het plotten van de eigenschappen van hypothetische nieuwe verbindingen die een mix van deze eigenschappen zouden hebben. Elke verbinding begon met een "moeder" -materiaal dat het uiteindelijke materiaal het polaire aspect van het bulk fotovoltaïsche effect zou geven. Aan de ouder, een materiaal dat de bandgap van de verbinding zou verkleinen, zou in verschillende percentages worden toegevoegd. Deze twee materialen zouden worden vermalen tot fijne poeders, gemengd en vervolgens in een oven verwarmd totdat ze samen reageerden. Het resulterende kristal zou idealiter de structuur van de ouder hebben, maar met elementen uit het tweede materiaal op belangrijke locaties, waardoor het zichtbaar licht kan absorberen.

"De ontwerpuitdaging, "Davies zei, "was om materialen te identificeren die hun polaire eigenschappen konden behouden en tegelijkertijd zichtbaar licht konden absorberen. De theoretische berekeningen wezen op nieuwe materiaalfamilies waar deze vaak elkaar uitsluitende combinatie van eigenschappen in feite kon worden gestabiliseerd."

Deze structuur staat bekend als een perovskietkristal. De meeste lichtabsorberende materialen hebben een symmetrische kristalstructuur, wat betekent dat hun atomen in herhalende patronen zijn gerangschikt, omlaag, links, Rechtsaf, voor-en achterkant. Deze kwaliteit maakt die materialen apolair; alle richtingen "zien" er hetzelfde uit vanuit het perspectief van een elektron, dus er is geen algemene richting voor hen om te stromen.

Een perovskietkristal heeft hetzelfde kubische rooster van metaalatomen, maar in elke kubus bevindt zich een octaëder van zuurstofatomen, en in elke octaëder bevindt zich een ander soort metaalatoom. De relatie tussen deze twee metalen elementen kan ervoor zorgen dat ze uit het midden bewegen, richting geven aan de structuur en deze polair maken.

"Alle goede polaire, of ferro-elektrisch, materialen hebben deze kristalstructuur, " zei Rappe. "Het lijkt erg ingewikkeld, maar het gebeurt de hele tijd in de natuur als je een materiaal hebt met twee metalen en zuurstof. Het is niet iets dat we zelf moesten ontwerpen."

Na verschillende mislukte pogingen om de specifieke perovskietkristallen die ze hadden getheoretiseerd fysiek te produceren, hadden de onderzoekers succes met een combinatie van kaliumniobaat, de ouder, polair materiaal, en bariumnikkelniobaat, wat bijdraagt ​​aan de bandgap van het eindproduct.

De onderzoekers gebruikten röntgenkristallografie en Raman-verstrooiingsspectroscopie om er zeker van te zijn dat ze de gewenste kristalstructuur en symmetrie hadden bereikt. Ze onderzochten ook de schakelbare polariteit en bandgap, waaruit blijkt dat ze inderdaad een bulk fotovoltaïsch effect kunnen produceren met zichtbaar licht, het openen van de mogelijkheid om de Shockley-Queisser-limiet te doorbreken.

Bovendien, de mogelijkheid om de bandgap van het eindproduct af te stemmen via het percentage bariumnikkelniobaat voegt een ander potentieel voordeel toe ten opzichte van grensvlakzonnecellen.

"De bandgap van de ouder ligt in het UV-bereik, ’ zei Spanier, "maar door slechts 10 procent van het bariumnikkelniobaat toe te voegen, wordt de bandgap in het zichtbare bereik en dicht bij de gewenste waarde voor efficiënte zonne-energieconversie. Dus dat is een levensvatbaar materiaal om mee te beginnen, en de bandgap varieert ook door het zichtbare bereik naarmate we meer toevoegen, dat is een andere zeer nuttige eigenschap."

Een andere manier om de inefficiëntie die wordt opgelegd door de Shockley-Queisser-limiet in grensvlakzonnecellen te omzeilen, is door verschillende zonnecellen met verschillende bandgaps op elkaar te stapelen. Deze multi-junction zonnecellen hebben een toplaag met een hoge bandgap, die de meest waardevolle fotonen opvangt en de minder waardevolle doorlaat. Opeenvolgende lagen hebben lagere en lagere bandgaps, de meeste energie uit elk foton halen, maar toe te voegen aan de algehele complexiteit en kosten van de zonnecel.

"De familie van materialen die we hebben gemaakt met het bulk fotovoltaïsche effect gaat door het hele zonnespectrum, "Zei Rappe. "Dus we kunnen één materiaal kweken, maar de samenstelling voorzichtig veranderen terwijl we groeien, wat resulteert in een enkel materiaal dat presteert als een zonnecel met meerdere juncties."

"Deze familie van materialen." Spanier zei, "is des te opmerkelijker omdat het bestaat uit goedkope, niet-giftige en aarde-overvloedige elementen, in tegenstelling tot samengestelde halfgeleidermaterialen die momenteel worden gebruikt in efficiënte dunnefilm-zonneceltechnologie."