(Phys.org) —För solpaneler, att vrida ut varje droppe energi från så många fotoner som möjligt är absolut nödvändigt. Detta mål har skickat kemi, forskare inom materialvetenskap och elektronik i en strävan att öka energiabsorptionseffektiviteten hos solceller, men befintliga tekniker stöter nu på gränser som sätts av fysikens lagar.

Nu, forskare från University of Pennsylvania och Drexel University har experimentellt demonstrerat ett nytt paradigm för solcellskonstruktion som i slutändan kan göra dem billigare, lättare att tillverka och effektivare på att ta ut energi från solen.

Studien leddes av professor Andrew M. Rappe och forskningsspecialisten Ilya Grinberg vid Institutionen för kemi vid Penns School of Arts and Sciences, tillsammans med ordförande Peter K. Davies vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid School of Engineering and Applied Science, och professor Jonathan E. Spanier, vid Drexels institution för materialvetenskap och teknik.

Det publicerades i tidskriften Natur .

Befintliga solceller fungerar alla på samma grundläggande sätt:de absorberar ljus, som exciterar elektroner och får dem att flöda i en viss riktning. Detta flöde av elektroner är elektrisk ström. Men för att fastställa en konsekvent riktning för deras rörelse, eller polaritet, solceller måste vara gjorda av två material. När en exciterad elektron passerar över gränssnittet från materialet som absorberar ljuset till materialet som ska leda strömmen, den kan inte gå tillbaka, ge det en riktning.

"Det finns en liten kategori av material, dock, att när du lyser ljus på dem, elektronen tar fart i en viss riktning utan att behöva passera från ett material till ett annat, ", sa Rappe. "Vi kallar det här "bulk" solcellseffekten, snarare än "gränssnittseffekten" som händer i befintliga solceller. Detta fenomen har varit känt sedan 1970-talet, men vi gör inte solceller på det här sättet eftersom de bara har demonstrerats med ultraviolett ljus, och det mesta av energin från solen finns i det synliga och infraröda spektrumet."

Att hitta ett material som uppvisar bulk solcellseffekt för synligt ljus skulle avsevärt förenkla solcellskonstruktionen. Dessutom, det skulle vara en väg runt en ineffektivitet som är inneboende i gränssnittsolceller, känd som Shockley-Queisser-gränsen, där en del av energin från fotoner går förlorad när elektroner väntar på att hoppa från ett material till ett annat.

"Tänk på fotoner som kommer från solen som mynt som regnar ner över dig, med ljusets olika frekvenser som slantar, nickel, dimes och så vidare. En kvalitet på ditt ljusabsorberande material som kallas dess "bandgap" bestämmer valörerna du kan fånga, " sa Rappe. "Shockley-Queisser-gränsen säger att vad du än fångar är bara så värdefullt som den lägsta valören ditt bandgap tillåter. Om du väljer ett material med ett bandgap som kan fånga dimes, du kan fånga dimes, fjärdedelar och silverdollar, men de kommer alla bara att vara värda energi motsvarande 10 cent när du fångar dem.

"Om du sätter din gräns för högt, du kan få mer värde per foton men fånga färre fotoner totalt och komma ut sämre än om du valde en lägre valör, ", sa han. "Att ställa in ditt bandgap för att bara fånga silverdollar är som att bara kunna fånga UV-ljus. Att ställa in den för att fånga kvarter är som att flytta ner i det synliga spektrumet. Ditt utbyte är bättre även om du förlorar det mesta av energin från den UV du får."

Eftersom inga kända material uppvisade den bulkfotovoltaiska effekten för synligt ljus, forskargruppen vände sig till sina materialforskare för att utarbeta hur en ny skulle kunna utformas och dess egenskaper mätas.

Från och med för mer än fem år sedan, teamet började teoretiskt arbete, plotta egenskaperna hos hypotetiska nya föreningar som skulle ha en blandning av dessa egenskaper. Varje förening började med ett "modermaterial" som skulle ge det slutliga materialet den polära aspekten av den bulkfotovoltaiska effekten. Till föräldern, ett material som skulle minska föreningens bandgap skulle tillsättas i olika procentsatser. Dessa två material skulle malas till fina pulver, blandade ihop och värmde sedan i ugn tills de reagerade tillsammans. Den resulterande kristallen skulle helst ha strukturen som föräldern men med element från det andra materialet på nyckelplatser, gör att den absorberar synligt ljus.

"Designutmaningen, "Davies sa, "var att identifiera material som kunde behålla sina polära egenskaper och samtidigt absorbera synligt ljus. De teoretiska beräkningarna pekade på nya materialfamiljer där denna ofta ömsesidigt uteslutande kombination av egenskaper faktiskt kunde stabiliseras."

Denna struktur är något som kallas perovskitkristall. De flesta ljusabsorberande material har en symmetrisk kristallstruktur, vilket betyder att deras atomer är ordnade i upprepade mönster uppåt, ner, vänster, höger, fram och bak. Denna kvalitet gör dessa material opolära; alla riktningar "ser" likadana ut ur en elektrons perspektiv, så det finns ingen övergripande riktning för dem att flöda.

En perovskitkristall har samma kubiska gitter av metallatomer, men inuti varje kub finns en oktaeder av syreatomer, och inuti varje oktaeder finns en annan typ av metallatom. Förhållandet mellan dessa två metalliska element kan få dem att flytta från centrum, ger riktning till strukturen och gör den polär.

"Alla bra polare, eller ferroelektrisk, material har denna kristallstruktur, " sa Rappe. "Det verkar väldigt komplicerat, men det händer hela tiden i naturen när man har ett material med två metaller och syre. Det är inget vi var tvungna att bygga själva."

Efter flera misslyckade försök att fysiskt producera de specifika perovskitkristallerna de hade teoretiserat, forskarna hade framgång med en kombination av kaliumniobat, föräldern, polärt material, och bariumnickelniobat, vilket bidrar till slutproduktens bandgap.

Forskarna använde röntgenkristallografi och Raman-spridningsspektroskopi för att säkerställa att de hade producerat den kristallstruktur och symmetri som de avsåg. De undersökte också dess omkopplingsbara polaritet och bandgap, som visar att de verkligen kan producera en solcellseffekt i bulk med synligt ljus, öppnar möjligheten att bryta Shockley-Queisser-gränsen.

Dessutom, Möjligheten att justera slutproduktens bandgap via andelen bariumnickelniobat tillför ytterligare en potentiell fördel jämfört med gränssnittsolceller.

"Föräldrarnas bandgap är i UV-området, "Spanier sa, "men att tillsätta bara 10 procent av bariumnickelniobatet flyttar bandgapet till det synliga området och nära det önskade värdet för effektiv solenergiomvandling. Så det är ett livskraftigt material till att börja med, och bandgapet fortsätter också att variera genom det synliga området när vi lägger till fler, vilket är en annan mycket användbar egenskap."

Ett annat sätt att komma runt den ineffektivitet som Shockley-Queisser-gränsen inför i gränssnittsolceller är att effektivt stapla flera solceller med olika bandgap ovanpå varandra. Dessa multi-junction solceller har ett toppskikt med ett högt bandgap, som fångar de mest värdefulla fotonerna och låter de mindre värdefulla passera igenom. På varandra följande lager har lägre och lägre bandgap, få ut mest energi ur varje foton, men ökar den totala komplexiteten och kostnaden för solcellen.

"Familjen av material som vi har gjort med bulk solcellseffekten går genom hela solspektrumet, " sa Rappe. "Så vi kan odla ett material men försiktigt ändra sammansättningen när vi växer, vilket resulterar i ett enda material som fungerar som en solcell med flera korsningar."

"Denna familj av material." Spanier sa, "är desto mer anmärkningsvärt eftersom det består av billiga, icke-giftiga och jordnära element, till skillnad från sammansatta halvledarmaterial som för närvarande används i effektiv tunnfilmssolcellsteknik."