Energia słoneczna nowej generacji: Japońscy naukowcy dokonują przełomu w dziedzinie BPVE
W konwencjonalnym ogniwie słonecznym dwie różnie domieszkowane warstwy półprzewodnikowe tworzą złącze p-n. Na ich styku powstaje wewnętrzne pole elektryczne. Gdy światło pada na ogniwo, generuje elektrony i ich dodatnio naładowane odpowiedniki. Pole elektryczne szybko kieruje je w przeciwnych kierunkach, tworząc przepływ prądu. Ta fundamentalna konstrukcja ma jednak wbudowany fizyczny limit napięcia i wydajności - znany jako limit Shockley-Queisser. W praktyce, nawet w idealnych warunkach nasłonecznienia, tylko około jedna trzecia energii światła może zostać przekształcona w energię elektryczną.
W tym miejscu pojawia się efekt fotowoltaiczny bulk photovoltaic effect (BPVE). W przeciwieństwie do tradycyjnych ogniw słonecznych, nie opiera się on na złączu p-n lub wewnętrznym polu elektrycznym. Zamiast tego wykorzystuje unikalną strukturę atomową niektórych kryształów, które nie posiadają symetrii lustrzanej. Efekt powstaje, gdy dwie symetrie są łamane jednocześnie: Po pierwsze, przestrzenna symetria lustrzana musi być nieobecna, co pozwala asymetrycznemu układowi atomów na preferencyjne popychanie elektronów w jednym kierunku pod wpływem światła. Po drugie, symetria odwrócenia czasu musi zostać złamana przez materiał magnetyczny, tak aby ruchy elektronów do przodu i do tyłu nie były już równoważne. Gdy oba warunki są spełnione, samo światło może generować prąd - bez złącza i poza limitem Shockleya-Queissera.
Naukowcy z Kioto dokonują przełomu w dziedzinie BPVE - ogniwa słoneczne kontrolowane za pomocą magnetyzmu
Zespół badawczy z Uniwersytetu w Kioto, kierowany przez fizyka Kazunari Matsudę, po raz pierwszy opracował ogniwo słoneczne bez konwencjonalnego złącza p-n, w którym oba krytyczne warunki są spełnione jednocześnie:
- Pojedyncza, atomowo cienka warstwa półprzewodnika zapewnia, że materiał nie posiada symetrii lustrzanej.
- Znajdujący się pod nią kryształ magnetyczny dodatkowo łamie symetrię czasowo-odwrotną.
Uniwersytet w Kioto ogłosił przełomowe odkrycie 24 czerwca. Pozwala to na pełne wykorzystanie efektu fotowoltaicznego (BPVE): światło bezpośrednio napędza elektrony w jednym kierunku, generując prąd bez potrzeby wewnętrznego pola elektrycznego. Kryształ magnetyczny działa jak precyzyjnie regulowane pokrętło - zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego może włączyć lub wyłączyć prąd lub modulować jego siłę. Teoretycznie ogniwa słoneczne oparte na BPVE mogłyby wykorzystywać więcej energii ze światła słonecznego, będąc jednocześnie ultracienkimi, elastycznymi, a nawet regulowanymi za pomocą pól magnetycznych.
Ośmiostronicowe badanie, opublikowane w Nature Communicationsjest swobodnie dostępne online. Chociaż Uniwersytet w Kioto nie przedstawił harmonogramu komercjalizacji, technologia ta pozostaje na wczesnym etapie rozwoju. Mimo to istnieją potencjalne zastosowania, które mogą pojawić się w najbliższej przyszłości - nie tylko w wytwarzaniu energii, ale także w technologii czujników. Na przykład ultracienkie folie BPVE mogłyby służyć jako samozasilające się "mini elektrownie" na etykietach, urządzeniach do noszenia lub urządzeniach monitorujących środowisko. Folie te nie tylko zasilałyby czujniki temperatury, wilgotności lub ruchu; ich magnetyczna przestrajalność mogłaby również umożliwić wykrywanie natężenia światła, pól magnetycznych, a nawet polaryzacji światła - wszystko w jednej, prawie niewidocznej warstwie.
Źródło(a)
