Het fotovoltaïsche effect van ferro-elektrische kristallen kan met een factor 1,000 worden verhoogd als drie verschillende materialen periodiek in een rooster worden gerangschikt. Dat blijkt uit een onderzoek van onderzoekers van de Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). Dit deden ze door kristallijne lagen van bariumtitanaat, strontiumtitanaat en calciumtitanaat te creëren die ze afwisselend op elkaar legden. Hun bevindingen, die de efficiëntie van zonnecellen aanzienlijk zouden kunnen verhogen.
De meeste zonnecellen zijn momenteel op silicium gebaseerd; hun efficiëntie is echter beperkt. Dit heeft onderzoekers ertoe aangezet om nieuwe materialen te onderzoeken, zoals ferro-elektriciteit zoals bariumtitanaat, een gemengd oxide gemaakt van barium en titanium. "Ferro-elektrisch betekent dat het materiaal ruimtelijk positieve en negatieve ladingen heeft gescheiden", legt natuurkundige dr. Akash Bhatnagar van MLU's Center for Innovation Competence SiLi-nano uit. “De ladingsscheiding leidt tot een asymmetrische structuur die het mogelijk maakt om elektriciteit op te wekken uit licht.” In tegenstelling tot silicium hebben ferro-elektrische kristallen geen zogenaamde pn-overgang nodig om het fotovoltaïsche effect te creëren, met andere woorden, geen positief en negatief gedoteerde lagen. Dit maakt het veel gemakkelijker om de zonne-energie te produceren panelen.
Zuiver bariumtitanaat absorbeert echter niet veel zonlicht en genereert bijgevolg een relatief lage fotostroom. Het laatste onderzoek heeft aangetoond dat het combineren van extreem dunne lagen van verschillende materialen de opbrengst van zonne-energie aanzienlijk verhoogt. “Belangrijk hierbij is dat een ferro-elektrisch materiaal wordt afgewisseld met een para-elektrisch materiaal. Hoewel de laatste geen gescheiden ladingen heeft, kan hij onder bepaalde omstandigheden ferro-elektrisch worden, bijvoorbeeld bij lage temperaturen of wanneer de chemische structuur enigszins wordt gewijzigd”, legt Bhatnagar uit.
De onderzoeksgroep van Bhatnagar ontdekte dat het fotovoltaïsche effect aanzienlijk wordt versterkt als de ferro-elektrische laag niet slechts met één, maar met twee verschillende para-elektrische lagen wordt afgewisseld. onderzoeker, legt uit: “We hebben het bariumtitanaat ingebed tussen strontiumtitanaat en calciumtitanaat. Dit werd bereikt door de kristallen te verdampen met een krachtige laser en ze opnieuw af te zetten op dragersubstraten. Dat leverde een materiaal op van 500 lagen dat zo'n 200 nanometer dik is.”
Bij het uitvoeren van de foto-elektrische metingen werd het nieuwe materiaal bestraald met laser licht. Het resultaat verraste zelfs de onderzoeksgroep: vergeleken met puur bariumtitanaat van dezelfde dikte was de stroom tot 1,000 keer sterker - en dit ondanks het feit dat het aandeel bariumtitanaat als de belangrijkste foto-elektrische component met bijna tweederde werd verminderd . "De interactie tussen de roosterlagen lijkt te leiden tot een veel hogere permittiviteit - met andere woorden, de elektronen kunnen veel gemakkelijker stromen door de excitatie door de lichtfotonen", legt Akash Bhatnagar uit. De metingen toonden ook aan dat dit effect zeer robuust is: het bleef bijna constant over een periode van zes maanden.
Er moet nu verder onderzoek worden gedaan om erachter te komen wat het uitstekende foto-elektrische effect precies veroorzaakt. Bhatnagar is ervan overtuigd dat het potentieel van het nieuwe concept kan worden gebruikt voor praktische toepassingen in zonnepanelen. “De laagstructuur laat in alle temperatuurbereiken een hoger rendement zien dan pure ferro-elektriciteit. De kristallen zijn ook aanzienlijk duurzamer en vereisen geen speciale verpakking.”
