Distribuzione della corrente oscura risolta nello spazio. a Topografia superficiale e b corrispondente distribuzione della corrente di buio mappata sul film BiFeO3 (60 nm)/La0.7Sr0.3MnO3 (5 nm)/LaAlO3 senza alcuna illuminazione. Barra della scala 500 nm. c Confronto tra la corrente di buio e il profilo morfologico della superficie dell'area contrassegnata dalla freccia blu in (a). La corrente viene acquisita applicando 2 V all'elettrodo inferiore con la punta conduttiva virtualmente messa a terra. Fonte:Ming-Min Yang et al. Conduzione locale mediata dal gradiente di deformazione in film di ferrite di bismuto deformati, Comunicazioni sulla natura (2019). DOI:10.1038/s41467-019-10664-5
Le celle solari e le tecnologie di rilevamento della luce potrebbero essere rese più efficienti sfruttando una proprietà insolita dovuta a deformazioni e difetti nelle loro strutture.
I ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick hanno scoperto che il gradiente di deformazione (cioè ceppo disomogeneo) nelle celle solari, attraverso la forza fisica o indotta durante il processo di fabbricazione, può impedire ai portatori fotoeccitati di ricombinarsi, portando a una maggiore efficienza di conversione dell'energia solare. I risultati dei loro esperimenti sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
Il team di scienziati ha utilizzato un film sottile epitassiale di BiFeO3 cresciuto sul substrato LaAlO3 per determinare l'impatto della deformazione disomogenea sulla capacità del film di convertire la luce in elettricità, esaminando come il suo gradiente di deformazione influisce sulla sua capacità di separare i portatori fotoeccitati.
La maggior parte delle celle solari commerciali è formata da due strati che creano al loro confine una giunzione tra due tipi di semiconduttori, tipo p con portatori di carica positiva (vacanze di elettroni) e tipo n con portatori di carica negativa (elettroni). Quando la luce viene assorbita, la giunzione dei due semiconduttori sostiene un campo interno che divide i portatori fotoeccitati in direzioni opposte, generando una corrente e una tensione attraverso la giunzione. Senza tali giunzioni l'energia non può essere raccolta e i portatori fotoeccitati si ricombineranno semplicemente rapidamente eliminando qualsiasi carica elettrica.
Distribuzione fotocorrente risolta nello spazio. a Topografia superficiale e b distribuzione della fotocorrente caratterizzata sotto illuminazione su un film sottile di BiFeO3/LaAlO3 di 100 nm di spessore; Barra della scala 500 nm. c Confronto del profilo tra la fotocorrente e la morfologia superficiale dell'area contrassegnata dalla freccia blu in (a). La fotocorrente viene acquisita sotto l'illuminazione di una luce di 405 nm con un'intensità di 1 W cm-2. Il bias viene applicato a un elettrodo di Pt laterale evaporato sulla superficie del film BiFeO3 con la punta conduttiva virtualmente messa a terra. Fonte:Ming-Min Yang et al. Conduzione locale mediata dal gradiente di deformazione in film di ferrite di bismuto deformati, Comunicazioni sulla natura (2019). DOI:10.1038/s41467-019-10664-5
Hanno scoperto che il gradiente di deformazione può aiutare a prevenire la ricombinazione separando i buchi elettronici eccitati dalla luce, migliorare l'efficienza di conversione delle celle solari. Il film BiFeO3/LaAlO3 ha mostrato anche alcuni interessanti effetti fotoelettrici, come la fotoconduttività persistente (migliore conduttività elettrica). Ha potenziali applicazioni nei sensori di luce UV, attuatori e trasduttori.
Il Dr. Mingmin Yang dell'Università di Warwick ha dichiarato:"Questo lavoro ha dimostrato il ruolo fondamentale del gradiente di deformazione nel mediare le proprietà fotoelettriche locali, che è ampiamente trascurato in precedenza. Progettando tecnologie fotoelettriche per sfruttare il gradiente di deformazione, potremmo potenzialmente aumentare l'efficienza di conversione delle celle solari e migliorare la sensibilità dei sensori di luce.
"Un altro fattore da considerare sono i bordi dei grani nelle celle solari policristalline. In generale, i difetti si accumulano ai bordi del grano, che indurrebbe la ricombinazione del fotoportatore, limitando l'efficienza. Però, in alcune celle solari policristalline, come le celle solari CdTe, i confini del grano favorirebbero la raccolta di fotoportatori, dove il gradiente di deformazione gigante potrebbe svolgere un ruolo importante. Perciò, dobbiamo prestare attenzione al gradiente di deformazione locale quando studiamo le relazioni struttura-proprietà nelle celle solari e nei materiali dei sensori di luce".
In precedenza, l'effetto di questo ceppo sull'efficienza è stato ritenuto trascurabile. Con la crescente miniaturizzazione delle tecnologie, l'effetto del gradiente di deformazione viene amplificato a dimensioni più piccole. Quindi, nel ridurre le dimensioni di un dispositivo utilizzando uno di questi film, l'entità del gradiente di deformazione aumenta drammaticamente.
Il Dr. Yang aggiunge:"L'effetto indotto dal gradiente di tensione, come l'effetto flexo-fotovoltaico, migrazione ionica, eccetera, sarebbe sempre più importante a basse dimensioni."
