Przełom w fotowoltaice: Naukowcy zwiększyli 1000-krotnie wydajność ogniw dzięki supercienkim warstwom
Czy można sprawić, by materiały zamieniające światło na prąd działały kilkaset razy wydajniej? Grupa badaczy udowodniła, że tak — wystarczy odpowiednio ułożyć warstwy dobrze znanych materiałów.
Supercienkie warstwy — wielki efekt
Od wielu lat naukowcy pracują nad poprawą efektywności ogniw fotowoltaicznych. Jednym z mniej oczywistych kierunków badań są tzw. materiały ferroelektryczne, które w pewnych warunkach mogą same generować prąd pod wpływem światła — bez potrzeby stosowania klasycznego złącza półprzewodnikowego, jak w typowych ogniwach słonecznych.
Teraz zespół badaczy z Niemiec i Korei Południowej odkrył sposób, by radykalnie zwiększyć ten efekt. Ich pomysł? Stworzyli supercienką „kanapkę” złożoną z trzech różnych warstw: znanego już ferroelektryka BaTiO₃ (BTO) oraz dwóch paraelektryków: SrTiO₃ (STO) i CaTiO₃ (CTO). Taka konstrukcja nazywana jest superkratownicą.
Wyniki były spektakularne. W porównaniu do pojedynczej warstwy BaTiO₃, nowa struktura generowała prąd nawet 1000 razy wydajniej. Co więcej, mimo że ilość aktywnego materiału (BTO) w nowej konstrukcji była aż trzykrotnie mniejsza, wydajność całego układu wzrosła dramatycznie.
Dlaczego to działa?
Naukowcy wskazują na kilka zjawisk, które razem tworzą ten niezwykły efekt:
- Szersze widmo światła: Nowa konstrukcja pochłania światło o niższej energii (czyli bardziej "czerwone"), a więc wykorzystuje szerszy zakres promieniowania słonecznego niż tradycyjne materiały. Oznacza to, że może działać efektywniej nawet przy słabszym świetle.
- Lepsze rozdzielanie ładunków: Zwiększona zdolność dielektryczna superkratownicy ułatwia rozdzielanie powstających pod wpływem światła par elektron-dziura (czyli tzw. ekscytonów), co prowadzi do większego prądu.
- Specjalny efekt ferroelektryczny: Struktura materiału jest asymetryczna, co samo w sobie sprzyja generowaniu prądu po oświetleniu.
Stabilne, trwałe i skalowalne
Jedną z największych zalet odkrycia jest stabilność efektu. Nawet po pół roku przechowywania próbki zachowały swoją wydajność. Dodatkowo, efektywność pozostaje bardzo wysoka nawet w niskich temperaturach, co otwiera możliwość zastosowań w różnych warunkach środowiskowych.
Nowa droga dla fotowoltaiki przyszłości
Choć do komercyjnych zastosowań jeszcze daleko, to badania te pokazują całkowicie nowe podejście do projektowania wydajnych ogniw słonecznych. Zamiast szukać zupełnie nowych materiałów, można precyzyjnie układać dobrze znane warstwy w mikroskopijne struktury i radykalnie zmieniać ich właściwości.
Naukowcy podkreślają, że to dopiero początek. Superkratownice dają niezwykłe możliwości dostrajania właściwości materiałów — nie tylko do ogniw słonecznych, ale również np. do sensorów, elektroniki czy magazynowania energii.