Bessere Solarzellen für die Zukunft durch ungewöhnliches Phänomen bei der Stromerzeugung
Der Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPV) ist ein seltenes Phänomen, das dazu führen kann, dass bestimmte Materialien die herkömmlichen p-n-Übergänge in Solarzellen übertreffen. In einer aktuellen Studie haben Forscher aus Japan den BPV-Effekt erstmals in Alpha-Phase-Indiumselenid (α-In2Se3) in Richtung außerhalb der Ebene experimentell nachgewiesen und damit frühere theoretische Vorhersagen bestätigt. Die bemerkenswerte Umwandlungseffizienz ihres α-In2Se3 - Geräts ist ein vielversprechender Fortschritt für zukünftige Solarzellentechnologien und Photosensoren .
Ein fundiertes Verständnis des Photovoltaikeffekts, durch den Licht in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist der Kern des Designs und der Entwicklung von Solarzellen. Heute verwenden die meisten Solarzellen p-n-Übergänge und nutzen den Photovoltaikeffekt, der an der Schnittstelle verschiedener Materialien auftritt. Solche Designs unterliegen jedoch der "Shockley-Queisser-Grenze", die eine Obergrenze für ihre theoretisch maximale Solarumwandlungseffizienz setzt und einen Kompromiss zwischen der Spannung und dem Strom erfordert, der durch den Photovoltaikeffekt erzeugt werden kann.
Bestimmte kristalline Materialien weisen jedoch ein faszinierendes Phänomen auf, das als Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPV-Effekt) bekannt ist. In Materialien ohne innere Symmetrie können sich durch Licht angeregte Elektronen kohärent in eine bestimmte Richtung bewegen, anstatt an ihre ursprünglichen Positionen zurückzukehren. Dies führt zu sogenannten „Verschiebungsströmen“, die den BPV-Effekt auslösen. Obwohl Experten vorausgesagt haben, dass Alpha-Phase-Indiumselenid (α-In2Se3 ) ein möglicher Kandidat für dieses Phänomen sei, wurde es noch nicht experimentell untersucht.
Um diese Wissenslücke zu schließen, machte sich ein Forschungsteam aus Japan unter der Leitung von Associate Professor Noriyuki Urakami von der Shinshu University daran, den BPV-Effekt in α-In 2 Se 3 zu untersuchen, die Ergebnisse daraus wurden in Applied Physics Letters veröffentlicht.
Ein fundiertes Verständnis des Photovoltaikeffekts, durch den Licht in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist der Kern des Designs und der Entwicklung von Solarzellen. Heute verwenden die meisten Solarzellen p-n-Übergänge und nutzen den Photovoltaikeffekt, der an der Schnittstelle verschiedener Materialien auftritt. Solche Designs unterliegen jedoch der "Shockley-Queisser-Grenze", die eine Obergrenze für ihre theoretisch maximale Solarumwandlungseffizienz setzt und einen Kompromiss zwischen der Spannung und dem Strom erfordert, der durch den Photovoltaikeffekt erzeugt werden kann.
Bestimmte kristalline Materialien weisen jedoch ein faszinierendes Phänomen auf, das als Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPV-Effekt) bekannt ist. In Materialien ohne innere Symmetrie können sich durch Licht angeregte Elektronen kohärent in eine bestimmte Richtung bewegen, anstatt an ihre ursprünglichen Positionen zurückzukehren. Dies führt zu sogenannten „Verschiebungsströmen“, die den BPV-Effekt auslösen. Obwohl Experten vorausgesagt haben, dass Alpha-Phase-Indiumselenid (α-In2Se3 ) ein möglicher Kandidat für dieses Phänomen sei, wurde es noch nicht experimentell untersucht.
Um diese Wissenslücke zu schließen, machte sich ein Forschungsteam aus Japan unter der Leitung von Associate Professor Noriyuki Urakami von der Shinshu University daran, den BPV-Effekt in α-In 2 Se 3 zu untersuchen, die Ergebnisse daraus wurden in Applied Physics Letters veröffentlicht.
„ Dieses Material ist in jüngster Zeit ein heiß diskutiertes Thema in der Festkörperphysik, da es möglicherweise in der Lage ist, einen Verschiebungsstrom zu erzeugen. Unsere Studie ist die erste, die diese Vorhersage experimentell bestätigt “, erklärt Prof. Urakami.
Zunächst stellten die Forscher ein mehrschichtiges Gerät her, das aus einer dünnen α-In 2 Se 3 -Schicht zwischen zwei transparenten Graphitschichten besteht. Diese Graphitschichten dienten als Elektroden und wurden an eine Spannungsquelle und ein Amperemeter angeschlossen, um die bei Lichtbestrahlung erzeugten Ströme zu messen. Das Team verwendete diese spezielle Schichtanordnung, weil es sich auf die Verschiebungsströme konzentrierte, die in der α-In 2 Se 3 -Schicht in der Richtung außerhalb der Ebene auftreten .
Nach Tests mit verschiedenen externen Spannungen und einfallendem Licht verschiedener Frequenzen konnten die Forscher die Existenz von Verschiebungsströmen in der außerhalb der Ebene liegenden Richtung nachweisen und damit die oben genannten Vorhersagen bestätigen. Der BPV-Effekt trat in einem breiten Spektrum von Lichtfrequenzen auf.
Nach Tests mit verschiedenen externen Spannungen und einfallendem Licht verschiedener Frequenzen konnten die Forscher die Existenz von Verschiebungsströmen in der außerhalb der Ebene liegenden Richtung nachweisen und damit die oben genannten Vorhersagen bestätigen. Der BPV-Effekt trat in einem breiten Spektrum von Lichtfrequenzen auf.
Entdeckung wichtig für bessere Leistung von Photvoltaik
Am wichtigsten war, dass die Forscher das Potenzial des BPV-Effekts in α-In 2 Se 3 abschätzten und es mit dem in anderen Materialien verglichen. „ Unser α-In 2 Se 3 -Gerät zeigte eine um mehrere Größenordnungen höhere Quanteneffizienz als andere ferroelektrische Materialien und eine vergleichbare mit der von niedrigdimensionalen Materialien mit erhöhter elektrischer Polarisation “, bemerkt Prof. Urakami. Er fügt hinzu:
„ Diese Entdeckung wird in naher Zukunft die Materialauswahl für die Entwicklung funktionaler Photovoltaikmodule leiten.“
Das Forschungsteam hofft, dass sich seine Bemühungen letztlich positiv auf die Umwelt auswirken werden, indem sie zur Erzeugung erneuerbarer Energien beitragen. „ Unsere Erkenntnisse haben das Potenzial, die Verbreitung von Solarzellen weiter zu beschleunigen, einer der Schlüsseltechnologien zur Gewinnung von Umweltenergie und ein vielversprechender Weg hin zu einer CO2-neutralen Gesellschaft “, schließt Prof. Urakami hoffnungsvoll. "Wir hoffen, dass diese Studie den Weg für weitere Studien ebnet, um den BVP-Effekt auszunutzen und die Leistung von Solarzellen erheblich zu verbessern sowie das Design empfindlicher Fotodetektoren zu verbessern."
„ Diese Entdeckung wird in naher Zukunft die Materialauswahl für die Entwicklung funktionaler Photovoltaikmodule leiten.“
Das Forschungsteam hofft, dass sich seine Bemühungen letztlich positiv auf die Umwelt auswirken werden, indem sie zur Erzeugung erneuerbarer Energien beitragen. „ Unsere Erkenntnisse haben das Potenzial, die Verbreitung von Solarzellen weiter zu beschleunigen, einer der Schlüsseltechnologien zur Gewinnung von Umweltenergie und ein vielversprechender Weg hin zu einer CO2-neutralen Gesellschaft “, schließt Prof. Urakami hoffnungsvoll. "Wir hoffen, dass diese Studie den Weg für weitere Studien ebnet, um den BVP-Effekt auszunutzen und die Leistung von Solarzellen erheblich zu verbessern sowie das Design empfindlicher Fotodetektoren zu verbessern."
