Fysiker vid University of Warwick har idag, Torsdagen den 19 april 2018, publicerade ny forskning i fournal Vetenskap idag 19 april 2018 (via Journal's First Release -sidor) som bokstavligen kunde pressa ut mer kraft ur solceller genom att fysiskt deformera var och en av kristallerna i halvledarna som används av solceller.

Tidningen med titeln "Flexo-Photovoltaic Effect" skrevs av professor Marin Alexe, Ming-Min Yang, och Dong Jik Kim som alla är baserade vid University of Warwick's Department of Physics.

Warwick -forskarna tittade på de fysiska begränsningarna för den nuvarande utformningen av de flesta kommersiella solceller som sätter en absolut gräns för deras effektivitet. De flesta kommersiella solceller är bildade av två lager som skapar vid deras gräns en övergång mellan två typer av halvledare, p-typ med positiva laddningsbärare (hål som kan fyllas av elektroner) och n-typ med negativa laddningsbärare (elektroner).

När ljuset absorberas, korsningen mellan de två halvledarna upprätthåller ett inre fält som delar de foto-upphetsade bärarna i motsatta riktningar, generera ström och spänning över korsningen. Utan sådana korsningar kan energin inte skördas och de fotoutsläppta bärarna kommer helt enkelt snabbt att återkombinera och eliminera eventuell elektrisk laddning.

Den korsningen mellan de två halvledarna är grundläggande för att få ström ur en sådan solcell men den har en effektivitetsgräns. Denna Shockley-Queisser Limit innebär att av all kraft som finns i solljus som faller på en idealisk solcell under idealiska förhållanden kan endast högst 33,7% någonsin förvandlas till elektricitet.

Det finns dock ett annat sätt att vissa material kan samla laddningar som produceras av solens fotoner eller från någon annanstans. Den stora fotovoltaiska effekten uppträder i vissa halvledare och isolatorer där deras brist på perfekt symmetri runt deras centrala punkt (deras icke-centrosymmetriska struktur) tillåter generering av spänning som faktiskt kan vara större än bandgapet för det materialet (bandgapet är gapet mellan valensbandets högsta intervall av elektronenergier där elektroner normalt är närvarande vid absolut nolltemperatur och ledningsbandet där elektricitet kan flöda).

Tyvärr har de material som är kända för att uppvisa den avvikande fotovoltaiska effekten mycket låg effektproduktionseffektivitet, och används aldrig i praktiska kraftgenereringssystem.

Warwick-teamet undrade om det var möjligt att ta de halvledare som är effektiva i kommersiella solceller och manipulera eller driva dem på något sätt så att de också kan tvingas in i en icke-centrosymmetrisk struktur och eventuellt därför också dra nytta av den stora fotovoltaiska effekten .

För detta dokument bestämde de sig för att försöka bokstavligen skjuta sådana halvledare i form med hjälp av ledande spetsar från atomkraftsmikroskopi-enheter till en "nano-indenter" som de sedan använde för att pressa och deformera enskilda kristaller av Strontium Titanate (SrTiO3), Titandioxid (TiO2), och kisel (Si).

De fann att alla tre kunde deformeras på detta sätt för att också ge dem en icke-centrosymmetrisk struktur och att de verkligen kunde ge den stora fotovoltaiska effekten.

Professor Marin Alexe från University of Warwick sa:

"Att utvidga utbudet av material som kan dra nytta av den stora fotovoltaiska effekten har flera fördelar:det är inte nödvändigt att bilda någon form av korsning; någon halvledare med bättre ljusabsorption kan väljas för solceller, och slutligen, den ultimata termodynamiska gränsen för effektomvandlingseffektiviteten, så kallad Shockley-Queisser Limit, kan övervinnas. Det finns tekniska utmaningar men det bör vara möjligt att skapa solceller där ett fält med enkla glasbaserade spetsar (hundra miljoner per cm2) kan hållas i spänning för att tillräckligt avforma varje halvledarkristall. Om en sådan framtida konstruktion skulle kunna tillföra en enda procentenhet effektivitet skulle det vara av stort kommersiellt värde för solcellstillverkare och kraftleverantörer. "