(PhysOrg.com) -- Berkeley Labs forskare har hittat en ny mekanism genom vilken den fotovoltaiska effekten kan ske i halvledartunna filmer. Denna nya väg till energiproduktion lyser upp framtiden för solcellsteknik genom att övervinna spänningsbegränsningar som plågar konventionella solceller i fast tillstånd.

En nyupptäckt väg för omvandling av solljus till elektricitet kan lysa upp framtiden för solcellsteknik. Forskare med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har hittat en ny mekanism genom vilken solcellseffekten kan ske i tunna halvledarfilmer. Denna nya väg till energiproduktion övervinner bandgap-spänningsbegränsningen som fortsätter att plåga konventionella solceller i fast tillstånd.

Arbeta med vismutferrit, en keramik gjord av vismut, järn och syre som är multiferroiskt - vilket betyder att det samtidigt uppvisar både ferroelektriska och ferromagnetiska egenskaper - forskarna upptäckte att den fotovoltaiska effekten spontant kan uppstå på nanoskala som ett resultat av keramikens romboedriskt förvrängda kristallstruktur. Vidare, de visade att appliceringen av ett elektriskt fält gör det möjligt att manipulera denna kristallstruktur och därigenom kontrollera fotovoltaiska egenskaper.

"Vi är glada över att hitta funktionalitet som inte har setts tidigare på nanoskala i ett multiferroiskt material, sade Jan Seidel, en fysiker som har gemensamma möten med Berkeley Labs Materials Sciences Division och UC Berkeley Physics Department. "Vi arbetar nu med att överföra det här konceptet till energiforskningsrelaterade enheter med högre effektivitet."

Seidel är en av huvudförfattarna till en artikel i tidskriften Naturens nanoteknik som beskriver detta verk med titeln, "Spänningar över bandgapet från ferroelektriska fotovoltaiska enheter." Seung-Yeul Yang var medförfattare av denna artikel med Seidel, Steven Byrnes, Padraic Shafer, Chan-Ho Yang, Marta Rossell, Pu Yu, Ying-Hao Chu, James Scott, Joel Ager, Lane Martin och Ramamoorthy Ramesh.

I hjärtat av konventionella solceller i fast tillstånd är en p-n-korsning, gränssnittet mellan ett halvledarskikt med ett överflöd av positivt laddade "hål, ” och ett lager med ett överflöd av negativt laddade elektroner. När fotoner från solen absorberas, deras energi skapar elektron-hålpar som kan separeras inom en "utarmningszon, ” ett mikroskopiskt område vid p-n-övergången som bara mäter ett par mikrometer tvärs över, samlas sedan in som el. För att denna process ska kunna äga rum, dock, Fotonerna måste penetrera materialet till utarmningszonen och deras energi måste exakt matcha energin i halvledarens elektroniska bandgap - gapet mellan dess valens- och ledningsenergiband där inga elektrontillstånd kan existera.

"Den maximala spänningen som konventionella solceller i fast tillstånd kan producera är lika med energin i deras elektroniska bandgap, säger Seidel. "Även för så kallade tandemceller, där flera halvledar-p-n-övergångar är staplade, fotospänningar är fortfarande begränsade på grund av ljusets ändliga penetrationsdjup in i materialet."

Arbetar genom Berkeley Labs Helios Solar Energy Research Center, Seidel och hans medarbetare upptäckte att genom att applicera vitt ljus på vismutferrit, ett material som är både ferroelektriskt och antiferromagnetiskt, de kunde generera fotospänningar inom submikroskopiska områden mellan en och två nanometer i diameter. Dessa fotospänningar var betydligt högre än vismutferritens elektroniska bandgap.

"Bandgapsenergin hos vismutferriten motsvarar 2,7 volt. Från våra mätningar vet vi att med vår mekanism kan vi få ungefär 16 volt över ett avstånd på 200 mikron. Vidare, denna spänning är i princip linjärt skalbar, vilket innebär att större avstånd borde leda till högre spänningar.”

Bakom denna nya mekanism för fotospänningsgenerering finns domänväggar - tvådimensionella skivor som löper genom en multiferroisk och fungerar som övergångszoner, separera områden med olika ferromagnetiska eller ferroelektriska egenskaper. I deras studie, Seidel och hans medarbetare fann att dessa domänväggar kan tjäna samma elektron-hålsseparationsändamål som utarmningszoner endast med distinkta fördelar.

"Den mycket mindre skalan på dessa domänväggar gör att många av dem kan staplas i sidled (sidovägs) och fortfarande nås med ljus, säger Seidel. "Detta gör det i sin tur möjligt att öka fotospänningsvärdena långt över materialets elektroniska bandgap."

Den fotovoltaiska effekten uppstår på grund av att vismutferritens polarisationsriktning ändras vid domänväggarna, vilket leder till steg i den elektrostatiska potentialen. Genom glödgningsbehandlingar av substratet på vilket vismutferrit odlas, materialets romboedriska kristaller kan induceras att bilda domänväggar som ändrar riktningen för det elektriska fältets polarisering med antingen 71, 109 eller 180 grader. Seidel och hans medarbetare mätte de fotospänningar som skapades av 71 och 109 graders domänväggar.

"De 71 graders domänväggarna visade enkelriktad polarisationsinriktning i planet och producerade en linjerad serie av potentiella spänningssteg, säger Seidel. "Även om det potentiella steget vid 109 graders domänen var högre än 71 graders domänen, den visade två varianter av polarisationen i planet som löpte i motsatta riktningar."

Seidel och hans kollegor kunde också använda en 200 volts elektrisk puls för att antingen vända polariteten på den fotovoltaiska effekten eller stänga av den helt och hållet. Sådan styrbarhet av solcellseffekten har aldrig rapporterats i konventionella solcellssystem, och det banar väg för nya tillämpningar inom nanooptik och nanoelektronik.

"Även om vi ännu inte har demonstrerat dessa möjliga nya applikationer och enheter, vi tror att vår forskning kommer att stimulera koncept och tankar som är baserade på denna nya riktning för solcellseffekten, säger Seidel.