(PhysOrg.com) -- I ricercatori del Berkeley Lab hanno scoperto un nuovo meccanismo attraverso il quale l'effetto fotovoltaico può avvenire nei film sottili di semiconduttori. Questo nuovo percorso verso la produzione di energia illumina il futuro della tecnologia fotovoltaica superando i limiti di tensione che affliggono le celle solari a stato solido convenzionali.

Un percorso recentemente scoperto per la conversione della luce solare in elettricità potrebbe illuminare il futuro della tecnologia fotovoltaica. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno scoperto un nuovo meccanismo attraverso il quale l'effetto fotovoltaico può avvenire nei film sottili di semiconduttori. Questa nuova strada per la produzione di energia supera la limitazione della tensione di banda proibita che continua ad affliggere le celle solari a stato solido convenzionali.

Lavorando con ferrite di bismuto, una ceramica di bismuto, ferro e ossigeno che è multiferroico - il che significa che mostra contemporaneamente proprietà ferroelettriche e ferromagnetiche - i ricercatori hanno scoperto che l'effetto fotovoltaico può sorgere spontaneamente su scala nanometrica come risultato della struttura cristallina distorta romboedrica della ceramica. Per di più, hanno dimostrato che l'applicazione di un campo elettrico rende possibile manipolare questa struttura cristallina e quindi controllare le proprietà fotovoltaiche.

“Siamo entusiasti di trovare funzionalità mai viste prima su scala nanometrica in un materiale multiferroico, "ha detto Jan Seidel, un fisico che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di fisica della UC Berkeley. "Stiamo ora lavorando per trasferire questo concetto a dispositivi correlati alla ricerca energetica a maggiore efficienza".

Seidel è uno degli autori principali di un articolo sulla rivista Nanotecnologia della natura che descrive questo lavoro intitolato, "Tensioni al di sopra del bandgap da dispositivi fotovoltaici ferroelettrici". Co-autore di questo articolo con Seidel c'erano Seung-Yeul Yang, Steven Byrnes, Padraic Shafer, Chan-Ho Yang, Marta Rosselli, Pu Yu, Ying-Hao Chu, James Scott, Joel Ager, Lane Martin e Ramamoorthy Ramesh.

Al centro delle celle solari convenzionali allo stato solido c'è una giunzione p-n, l'interfaccia tra uno strato di semiconduttore con un'abbondanza di "buchi" caricati positivamente, ” e uno strato con un'abbondanza di elettroni carichi negativamente. Quando i fotoni del sole vengono assorbiti, la loro energia crea coppie elettrone-lacuna che possono essere separate all'interno di una "zona di esaurimento, " una regione microscopica alla giunzione p-n che misura solo un paio di micrometri di diametro, poi raccolto come elettricità. Perché questo processo avvenga, però, i fotoni devono penetrare nel materiale fino alla zona di esaurimento e la loro energia deve corrispondere con precisione all'energia del bandgap elettronico del semiconduttore - il divario tra la sua valenza e le bande di energia di conduzione in cui non possono esistere stati di elettroni.

“La tensione massima che i dispositivi fotovoltaici a stato solido convenzionali possono produrre è uguale all'energia del loro bandgap elettronico, "dice Seidel. “Anche per le cosiddette celle tandem, in cui sono impilate diverse giunzioni p-n di semiconduttori, i fotovoltaggi sono ancora limitati a causa della limitata profondità di penetrazione della luce nel materiale”.

Lavorando attraverso il centro di ricerca sull'energia solare Helios di Berkeley Lab, Seidel e i suoi collaboratori scoprirono che applicando la luce bianca alla ferrite di bismuto, un materiale che è sia ferroelettrico che antiferromagnetico, potrebbero generare fototensioni all'interno di aree submicroscopiche tra uno e due nanometri di diametro. Questi fotovoltaggi erano significativamente più alti del bandgap elettronico della ferrite di bismuto.

“L'energia del bandgap della ferrite di bismuto è equivalente a 2,7 volt. Dalle nostre misurazioni sappiamo che con il nostro meccanismo possiamo ottenere circa 16 volt su una distanza di 200 micron. Per di più, questa tensione è in linea di principio scalabile lineare, il che significa che distanze maggiori dovrebbero portare a tensioni più elevate”.

Dietro questo nuovo meccanismo per la generazione di fotovoltaggio ci sono pareti di dominio:fogli bidimensionali che attraversano un multiferroico e fungono da zone di transizione, separare regioni di differenti proprietà ferromagnetiche o ferroelettriche. Nel loro studio, Seidel e i suoi collaboratori hanno scoperto che queste pareti di dominio possono servire allo stesso scopo di separazione elettrone-lacuna delle zone di esaurimento solo con vantaggi distinti.

“La scala molto più piccola di questi muri di dominio consente a molti di essi di essere impilati lateralmente (lateralmente) ed essere comunque raggiunti dalla luce, "dice Seidel. "Questo a sua volta rende possibile aumentare i valori di fotovoltaggio ben al di sopra del bandgap elettronico del materiale".

L'effetto fotovoltaico nasce perché alle pareti del dominio cambia la direzione di polarizzazione della ferrite di bismuto, che porta a gradini nel potenziale elettrostatico. Attraverso trattamenti di ricottura del substrato su cui viene coltivata la ferrite di bismuto, i cristalli romboedrici del materiale possono essere indotti a formare pareti di dominio che cambiano la direzione della polarizzazione del campo elettrico di 71, 109 o 180 gradi. Seidel e i suoi collaboratori hanno misurato i fotovoltaggi creati dalle pareti del dominio di 71 e 109 gradi.

"Le pareti del dominio di 71 gradi hanno mostrato un allineamento di polarizzazione unidirezionale nel piano e hanno prodotto una serie allineata di potenziali passaggi di tensione, "dice Seidel. “Sebbene il potenziale passo nel dominio di 109 gradi fosse superiore al dominio di 71 gradi, mostrava due varianti della polarizzazione nel piano che correva in direzioni opposte”.

Seidel ei suoi colleghi sono stati anche in grado di utilizzare un impulso elettrico da 200 volt per invertire la polarità dell'effetto fotovoltaico o per spegnerlo del tutto. Tale controllabilità dell'effetto fotovoltaico non è mai stata riportata nei sistemi fotovoltaici convenzionali, e apre la strada a nuove applicazioni in nanoottica e nanoelettronica.

“Anche se non abbiamo ancora dimostrato queste possibili nuove applicazioni e dispositivi, crediamo che la nostra ricerca stimolerà concetti e pensieri che si basano su questa nuova direzione per l'effetto fotovoltaico, "dice Seidel.