لایه­ای از سه بلور، هزار برابر انرژی بیشتری در سلول خورشیدی تولید می­کند

اگر سه ماده­ ی مختلف به طور دوره­ای در یک شبکه قرار بگیرند، اثر فتوولتائیک بلورهای فروالکتریک با ضریب هزار قابل افزایش است. این در مطالعه­ ی پژوهشگرانMartin Luther University Halle-Wittenberg (MLU)  نشان داده شده­ است. آن­ها با ایجاد لایه­ های بلوری تیتانات باریم، تیتانات استرانسیم و تیتانات کلسیم که به تناوب روی یکدیگر قرار می­گرفتند، به این دست یافتند.

یافته­ های آن­ها که می تواند به طور قابل توجهی بازدهی سلول­های خورشیدی را افزایش دهد، در مجله Science Advances (اثر فتوولتائیک بسیار افزایش یافته و قابل تنظیم در ابرشبکه ­های فروالکتریک-پارالکتریک) منتشر شد.

در حال حاضر اکثر سلول­های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون هستند. با این حال، بازده ی آن­ها محدود است. این امر پژوهشگران را بر آن داشته است تا مواد جدیدی مانند فروالکتریک­ هایی چون باریم تیتانات، یک اکسید مخلوط ساخته شده از باریم و تیتانیوم، را بررسی کنند.

دکتر Akash Bhatnagar، فیزیکدان از مرکز MLU برای صلاحیت نوآوریSiLi-nano ، توضیح می­دهد: "فروالکتریک به این معنی است که ماده بارهای مثبت و منفی را به طور فضایی از هم جدا کرده است. جداسازی بار منجر به ساختاری نامتقارن می­شود که امکان تولید برق از نور را فراهم می­کند."

برخلاف سیلیکون، بلورهای فروالکتریک برای ایجاد اثر فتوولتائیک به اتصال pn نیاز ندارند، به عبارت دیگر، هیچ لایه­ ی دوپ مثبت و منفی وجود ندارد. این امر تولید پنل­ های خورشیدی را بسیار آسان می­کند. با این حال، تیتانات باریم خالص نور خورشید زیادی جذب نمی­کند و در نتیجه یک جریان نوری نسبتاً کم ایجاد می­کند. آخرین پژوهش­ ها نشان داده است که ترکیب لایه­ های بسیار نازک از مواد مختلف به طور قابل توجهی عملکرد انرژی خورشید را افزایش می دهد.

Bhatnagar توضیح می­دهد: "نکته مهم در اینجا این است که یک ماده فروالکتریک با یک ماده پاراالکتریک جایگزین شود. اگرچه ماده دوم بار جداگانه­ای ندارد؛ اما تحت شرایط خاص می­تواند فروالکتریک شود. به عنوان مثال در دمای پایین یا هنگامی که ساختار شیمیایی آن کمی اصلاح شده باشد."  گروه پژوهشی Bhatnagar کشف کرد که اگر لایه فرو الکتریک نه تنها با یک، بلکه با دو لایه­ ی مختلف پاراالکتریک جایگزین شود، اثر فتوولتائیک بسیار افزایش می­یابد.

Yeseul Yun، دانشجوی دکتری MLU و اولین نویسنده این مطالعه ، توضیح می دهد: "ما تیتانات باریم را بین تیتانات استرانسیم و تیتانات کلسیم تعبیه کردیم. این با بخار شدن بلورها با لیزر پرقدرت و قرار گرفتن مجدد آن­ها روی لایه های حامل حاصل شد. این ماده ­ای از ۵۰۰ لایه ساخت که حدود ۲۰۰ نانومتر ضخامت دارد. "هنگام انجام اندازه ­گیری­ های فوتوالکتریک، ماده جدید با نور لیزر تابانده شد. نتیجه حتی گروه پژوهشی را متعجب کرد: در مقایسه با تیتانات باریم خالص با ضخامت مشابه، جریان فعلی تا هزار برابر بیشتر بود و این با وجود این واقعیت است که تقریباً دو سوم از نسبت تیتانات باریم به عنوان جز اصلی فوتوالکتریک کاسته شد. Bhatnagar توضیح می­دهد: "به نظر می­رسد فعل و انفعال بین لایه­های شبکه منجر به قدرت­ پذیری بسیار بالاتری می­شود، به عبارت دیگر، الکترون­ها به دلیل تحریک توسط فوتون­ های نور قادر به جریان بسیار راحت­ تری هستند. "

اندازه ­گیری­ ها همچنین نشان داد که این تأثیر بسیار قوی است: در طی یک دوره­ ی شش ماهه تقریباً ثابت مانده است.

https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۱/۷/۲۱/layer-of-three-crystals-produces-a-thousand-times-more-power-in-solar-cells