Forskare vid Wiens tekniska universitet visar att en nyligen upptäckt klass av material kan användas för att skapa en ny sorts solcell.

Enkla atomlager kombineras för att skapa nya material med helt nya egenskaper. Heterostrukturer av skiktad oxid är en ny klass av material, som har väckt stor uppmärksamhet bland materialvetare under de senaste åren. En forskargrupp vid Wiens tekniska universitet, tillsammans med kollegor från USA och Tyskland, har nu visat att dessa heterostrukturer kan användas för att skapa en ny sorts extremt effektiva ultratunna solceller.

Upptäcka nya materialegenskaper i datorsimuleringar

"Enkla atomlager av olika oxider staplas, skapa ett material med elektroniska egenskaper som skiljer sig mycket från de egenskaper som de enskilda oxiderna har på egen hand", säger professor Karsten Held från Institutet för fasta tillståndets fysik, Wiens tekniska universitet. För att designa nya material med exakt rätt fysikaliska egenskaper, strukturerna studerades i storskaliga datorsimuleringar. Som ett resultat av denna forskning, forskarna vid TU Wien upptäckte att oxidheterostrukturerna har stor potential för att bygga solceller.

Att förvandla ljus till el

Grundtanken bakom solceller är den fotoelektriska effekten. Dess enklaste version förklarades redan av Albert Einstein 1905:när en foton absorberas, det kan få en elektron att lämna sin plats och elektrisk ström börjar flyta. När en elektron tas bort, ett positivt laddat område blir kvar – ett så kallat "hål". Såväl de negativt laddade elektronerna som hålen bidrar till den elektriska strömmen.

"Om dessa elektroner och hål i solcellen rekombinerar istället för att transporteras bort, ingenting händer och energin kan inte användas", säger Elias Assmann, som genomförde en stor del av datorsimuleringarna vid TU Wien. "Den avgörande fördelen med det nya materialet är att i mikroskopisk skala, det finns ett elektriskt fält inuti materialet, som separerar elektroner och hål." Detta ökar effektiviteten hos solcellen.

Två isolatorer gör en metall

Oxiderna som används för att skapa materialet är faktiskt isolatorer. Dock, om två lämpliga typer av isolatorer är staplade, en häpnadsväckande effekt kan observeras:materialets ytor blir metalliska och leder elektrisk ström. "För oss, det här är väldigt viktigt. Denna effekt tillåter oss att bekvämt extrahera laddningsbärarna och skapa en elektrisk krets", säger Karsten Held. Konventionella solceller gjorda av kisel kräver metalltrådar på sin yta för att samla upp laddningsbärarna – men dessa ledningar blockerar en del av ljuset från att komma in i solcellen.

Alla fotoner omvandlas inte till elektrisk ström med samma effektivitet. För olika färger av ljus, olika material fungerar bäst. "Oxidheterostrukturerna kan ställas in genom att välja exakt rätt kemiska grundämnen", säger professor Blaha (TU Wien). I datorsimuleringarna, oxider innehållande lantan och vanadin studerades, för på det sättet fungerar materialen särskilt bra med solens naturliga ljus. "Det är till och med möjligt att kombinera olika typer av material, så att olika färger av ljus kan absorberas i olika lager av solcellen med maximal effektivitet", säger Elias Assmann.

Att omsätta teori i praktiken

Teamet från TU Wien fick hjälp av Satoshi Okamoto (Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA) och professor Giorgio Sangiovanni, en tidigare anställd vid TU Wien, som nu arbetar vid Würzburg University, Tyskland. I Würzburg, de nya solcellerna ska nu byggas och testas. "Tillverkningen av dessa solceller gjorda av oxidskikt är mer komplicerad än att tillverka vanliga kiselsolceller. Men varhelst extremt hög effektivitet eller minimal tjocklek krävs, de nya strukturerna ska kunna ersätta kiselceller", Karsten Held tror.