Rumsligt upplöst mörkströmsfördelning. a Yttopografi och b motsvarande mörkströmsfördelning kartlagda på filmen BiFeO3 (60 nm)/La0.7Sr0.3MnO3 (5 nm)/LaAlO3 utan någon belysning. Skalstång 500 nm. c Mörkströms- och ytmorfologisk profiljämförelse av området markerat med blå pil i (a). Strömmen erhålls genom att applicera 2 V till den nedre elektroden med den ledande spetsen praktiskt taget jordad. Källa:Ming-Min Yang et al. Töjningsgradientmedierad lokal ledning i ansträngda vismutferritfilmer, Naturkommunikation (2019). DOI:10.1038/s41467-019-10664-5
Solceller och ljusavkänningstekniker skulle kunna göras mer effektiva genom att dra fördel av en ovanlig egenskap på grund av deformationer och defekter i deras strukturer.
Forskare från University of Warwicks institution för fysik har funnit att töjningsgradienten (dvs inhomogen töjning) i solcellerna, genom fysisk kraft eller inducerad under tillverkningsprocessen, kan förhindra fotoexciterade bärare från att rekombinera, leder till en förbättrad solenergiomvandlingseffektivitet. Resultaten av deras experiment har publicerats i Naturkommunikation .
Teamet av forskare använde en epitaxiell tunn film av BiFeO3 odlad på LaAlO3-substrat för att bestämma effekten av inhomogen deformation på filmens förmåga att omvandla ljus till elektricitet genom att undersöka hur dess töjningsgradient påverkar dess förmåga att separera fotoexciterade bärare.
De flesta kommersiella solceller är bildade av två skikt som vid sin gräns skapar en förbindelse mellan två typer av halvledare, p-typ med positiva laddningsbärare (elektronvakanser) och n-typ med negativa laddningsbärare (elektroner). När ljus absorberas, förbindelsen mellan de två halvledarna upprätthåller ett internt fält som delar de fotoexciterade bärarna i motsatta riktningar, genererar en ström och spänning över korsningen. Utan sådana korsningar kan energin inte skördas och de fotoexciterade bärarna kommer helt enkelt snabbt att rekombinera och eliminera eventuell elektrisk laddning.
Rumsligt upplöst fotoströmfördelning. en yttopografi och b fotoströmfördelning karakteriserad under belysning på en 100 nm tjock BiFeO3/LaAlO3 tunn film; Skalstång 500 nm. c Profiljämförelse mellan fotoström och ytmorfologi för området markerat med blå pil i (a). Fotoströmmen förvärvas under belysning av 405 nm ljus med en intensitet på 1 W cm−2. Förspänningen appliceras på en sido-Pt-elektrod som förångats på ytan av BiFeO3-filmen med den ledande spetsen praktiskt taget jordad. Källa:Ming-Min Yang et al. Töjningsgradientmedierad lokal ledning i ansträngda vismutferritfilmer, Naturkommunikation (2019). DOI:10.1038/s41467-019-10664-5
De fann att töjningsgradienten kan hjälpa till att förhindra rekombination genom att separera de ljusexciterade elektronhålen, förbättra omvandlingseffektiviteten för solcellerna. BiFeO3/LaAlO3-filmen uppvisade också några intressanta fotoelektriska effekter, såsom ihållande fotokonduktivitet (förbättrad elektrisk konduktivitet). Den har potentiella tillämpningar i UV-ljussensorer, ställdon och givare.
Dr. Mingmin Yang från University of Warwick sa:"Detta arbete visade den kritiska rollen av töjningsgradienten för att förmedla lokala fotoelektriska egenskaper, som till stor del förbises tidigare. Genom att konstruera fotoelektrisk teknik för att dra fördel av töjningsgradienten, vi kan potentiellt öka omvandlingseffektiviteten för solceller och förbättra ljussensorernas känslighet.
"En annan faktor att tänka på är korngränserna i polykristallina solceller. Generellt, defekter samlas vid korngränserna, vilket skulle inducera fotobärarrekombination, begränsa effektiviteten. Dock, i vissa polykristallina solceller, såsom CdTe solceller, korngränserna skulle främja insamlingen av fotobärare, där den gigantiska töjningsgradienten kan spela en viktig roll. Därför, vi måste vara uppmärksamma på den lokala töjningsgradienten när vi studerar struktur-egenskaper-relationerna i solceller och ljussensormaterial."
Tidigare, effekten av denna påfrestning på effektiviteten ansågs vara försumbar. Med den ökande miniatyriseringen av teknik, effekten av töjningsgradienten förstoras vid mindre storlekar. Så genom att minska storleken på en enhet med en av dessa filmer, storleken på töjningsgradienten ökar dramatiskt.
Dr. Yang tillägger:"Den töjningsgradientinducerade effekten, såsom flexo-fotovoltaisk effekt, jonisk migration, etc, skulle bli allt viktigare vid låga dimensioner."