Новий матеріал перевершує традиційні сонячні елементи

Дослідники досліджують масовий фотоелектричний ефект у перспективному матеріалі для майбутніх технологій збору сонячної енергії. Об’ємний фотоелектричний ефект (BPV) — це рідкісне явище, яке може дозволити певним матеріалам перевершити продуктивність традиційних p–n-переходів у сонячних елементах. У недавньому прориві дослідники з Японії вперше експериментально підтвердили ефект BPV в альфа-фазі селеніду індію (α-In₂Se₃) уздовж напрямку поза площиною, узгоджуючи з попередніми теоретичними прогнозами. Вражаюча ефективність перетворення, досягнута в їхньому пристрої α-In₂Se_3, є значним кроком вперед для технологій сонячних батарей і фотодатчиків нового покоління.

Тверде розуміння фотоелектричного ефекту, за допомогою якого світло може перетворюватися на корисну електричну енергію, лежить в основі дизайну та розробки сонячних батарей. Сьогодні більшість сонячних елементів використовують p–n-переходи, використовуючи фотоелектричний ефект, який виникає на межі розділу різних матеріалів. Однак такі конструкції обмежені обмеженням Шоклі–Квейссера, яке жорстко обмежує їх теоретичну максимальну ефективність сонячного перетворення та накладає компроміс між напругою та струмом, які можуть бути створені за допомогою фотоелектричного ефекту.

Дослідження ефекту BPV у кристалічних матеріалах

Однак деякі кристалічні матеріали демонструють інтригуюче явище, відоме як об’ємний фотоелектричний ефект (BPV). У матеріалах, які не мають внутрішньої симетрії, електрони, збуджені світлом, можуть когерентно рухатися в певному напрямку замість того, щоб повертатися у вихідне положення. Це призводить до того, що відомо як «струми зсуву», що призводить до генерації ефекту BPV. Хоча експерти передбачають, що селенід індію в альфа-фазі (α-In₂Se₃) є можливим кандидатом для демонстрації цього явища, воно ще не було експериментально досліджено.

Щоб заповнити цю прогалину в знаннях, дослідницька група з Японії на чолі з доцентом Норіюкі Уракамі з Університету Шіншу вирішила вивчити ефект BPV в α-In₂Se_3. Їхні висновки нещодавно були опубліковані в журналі Applied Physics Letters.

«Цей матеріал нещодавно став гарячою темою в галузі фізики конденсованих речовин, оскільки він може генерувати струм зсуву. Наше дослідження є першим, що експериментально демонструє це передбачення», – ділиться професор Уракамі.

Багатошаровий пристрій α-In2Se3

Спочатку дослідники виготовили багатошаровий пристрій, що складається з тонкого шару α-In₂Se_3, затиснутого між двома прозорими шарами графіту. Ці шари графіту слугували електродами та були підключені до джерела напруги та амперметра для вимірювання будь-яких генерованих струмів під час світлового опромінення. Примітно, що команда використовувала таке конкретне розташування шарів, оскільки вони зосередилися на струмах зсуву, що відбуваються поза площиною в напрямку шару α-In ₂ Se₃.

Після тестування з різними зовнішніми напругами та падаючим світлом різних частот дослідники перевірили існування струмів зсуву в напрямку поза площиною, підтверджуючи вищезазначені передбачення. Ефект BPV спостерігався в широкому діапазоні світлових частот.

Найважливіше те, що дослідники оцінили потенціал ефекту BPV в α-In₂Se₃ і порівняли його з ефектом в інших матеріалах. «Наш пристрій α-In₂Se₃ продемонстрував квантову ефективність на кілька порядків вище, ніж в інших сегнетоелектричних матеріалів, і порівнянну з ефективністю низькорозмірних матеріалів із посиленою електричною поляризацією», — зауважує професор Уракамі. Він також додає: «Це відкриття буде керувати вибором матеріалів для розробки функціональних фотоелектричних пристроїв у найближчому майбутньому».

Дослідницька група сподівається, що їхні зусилля врешті-решт матимуть позитивний вплив на навколишнє середовище, сприяючи виробленню відновлюваної енергії. «Наші відкриття мають потенціал для подальшого прискорення поширення сонячних елементів, однієї з ключових технологій для збору енергії з навколишнього середовища та багатообіцяючого шляху до вуглецевого нейтрального суспільства», — підсумовує професор Уракамі, який сподівається.

Ми сподіваємося, що це дослідження прокладає шлях для подальших досліджень з використання ефекту BVP і значного покращення продуктивності сонячних елементів, а також вдосконалення дизайну чутливих фотодетекторів.