To jedna z kluczowych strat w fotowoltaice. Naukowcy mają na nią sposób
Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Uniwersytetu Wuhan opisali nietypowe właściwości siarczku bizmutu, który może łączyć bardzo dobre pochłanianie światła z wolniejszą utratą powstałych nośników ładunku. To dobra wiadomość dla fotowoltaiki.
Dobre pochłanianie światła ma swoją cenę
W ogniwie fotowoltaicznym pochłonięcie fotonu może wzbudzić elektron i pozostawić po nim tzw. dziurę elektronową. Elektron i dziura tworzą dwa rodzaje nośników ładunku, które muszą zostać rozdzielone i zebrane przez ogniwo, aby mogły uczestniczyć w produkcji prądu. Problem pojawia się, gdy ponownie się połączą. Dochodzi wtedy do rekombinacji, tj. wygenerowany ładunek przestaje być dostępny do zebrania przez ogniwo, a część energii zostaje utracona.
W wielu półprzewodnikach występuje przy tym trudny kompromis: materiały bardzo skutecznie pochłaniające światło często równie szybko tracą powstałe nośniki. Siarczek bizmutu (Bi2S3) pokazuje jednak, że można ten kompromis przynajmniej częściowo obejść.
Dwa przejścia energetyczne zamiast jednego
Jak czytamy w źródłach naukowych, w strukturze Bi2S3 występują dwa bardzo blisko położone przejścia energetyczne. Pierwsze ma charakter bezpośredni i umożliwia bardzo skuteczne pochłanianie światła. Współczynnik absorpcji Bi2S3 przekracza 10⁵ cm⁻[1.1]¹, co oznacza, że materiał może intensywnie pochłaniać światło już w stosunkowo cienkiej warstwie.
Drugie przejście znajduje się około 40 meV niżej energetycznie. To bardzo niewielka różnica, porównywalna ze skalą energii cieplnej w temperaturze pokojowej. Ma ono charakter pośredni, co sprawia, że rekombinacja zachodzi z niego trudniej i wolniej. W praktyce niżej położone stany działają więc jak tymczasowy „rezerwuar” dla nośników. Elektrony i dziury mogą przebywać w nim dłużej, zanim ponownie się połączą.
Dzięki temu materiał może łączyć silną absorpcję charakterystyczną dla półprzewodników bezpośrednich z wolniejszą rekombinacją typową dla materiałów pośrednich. Autorzy pracy naukowej określają taką strukturę jako półprzewodnik pseudo-bezpośredni.
Tempo rekombinacji niższe o około 75 proc.
Badacze analizowali cienkie warstwy Bi2s3₃ za pomocą ultraszybkiej spektroskopii terahercowej, czyli metodę pozwalającą śledzić w bardzo krótkich odstępach czasu, jak zachowują się elektrony i inne nośniki ładunku po wzbudzeniu materiału światłem. Materiał wzbudzano bardzo krótkimi impulsami laserowymi, a następnie obserwowano zachowanie nośników w różnych temperaturach i przy różnych intensywnościach wzbudzenia.
Wyniki eksperymentalne połączone z modelowaniem wskazują, że przy różnicy energetycznej około 40 meV współczynnik rekombinacji bimolekularnej może być w temperaturze pokojowej niższy o około 75 proc. Ciekawy efekt zaobserwowano również podczas chłodzenia materiału. Nośniki utrzymywały się wtedy dłużej, ponieważ większa ich część trafiała do niżej położonych stanów związanych z przejściem pośrednim.
Najważniejszym rezultatem badania może być nie sam Bi2S3, lecz wskazanie nowej zasady projektowania absorberów dla energetyki słonecznej. Autorzy sugerują poszukiwanie innych półprzewodników posiadających podobnie rozmieszczone przejścia bezpośrednie i pośrednie. Jednym z pomysłów jest przeszukiwanie dużych baz materiałowych i wybieranie z nich kandydatów o odpowiedniej strukturze pasmowej.
To jeszcze nie jest nowe ogniwo fotowoltaiczne
Badacze nie zaprezentowali gotowego ogniwa PV o wyższej sprawności. Na podstawie obecnych wyników nie można więc stwierdzić, o ile wzrosłaby efektywność panelu wykorzystującego taki absorber. Znaczenie badania polega przede wszystkim na pokazaniu mechanizmu, który może pomóc projektować materiały jednocześnie dobrze pochłaniające światło i wolniej tracące wygenerowane nośniki ładunku.
Wyniki swoich dotychczasowych badań, naukowcy opublikowali w pracy naukowej pt.: “Delayed electron–hole recombination in a pseudo-direct semiconductor” w czasopiśmie Nature.
Radosław Błoński
redakcja@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
Obserwuj nas w Google News
