Mișcarea atomică ar putea duce celulele solare dincolo de limitele clasice
Cercetătorii de la Institute of Science Tokyo au demonstrat că efectul fotovoltaic de volum (BPVE) poate persista chiar și atunci când structura cristalină medie a unui material devine centrosimetrică, contrazicând concepția tradițională despre acest fenomen. Studiul, publicat în Advanced Functional Materials, sugerează o nouă strategie pentru îmbunătățirea conversiei fotoelectrice.
Celulele solare convenționale generează fotocurent prin separarea și transportul purtătorilor de sarcină generați de lumină, de obicei prin structuri precum joncțiuni p–n. Această abordare are o limită teoretică fundamentală de eficiență, cunoscută sub numele de limita Shockley–Queisser. Pentru o celulă solară ideală din siliciu cu o singură joncțiune, această limită este de aproximativ 33%.
Efectul fotovoltaic de volum oferă o modalitate alternativă de generare a fotocurentului, care nu este supusă aceleiași limite. În BPVE, lumina interacționează cu un material pentru a genera fotocurent fără a fi nevoie de o joncțiune p–n. Tradițional, BPVE a fost asociat cu structuri cristaline non-centrosimetrice.
Echipa de cercetători, condusă de fostul student absolvent Ryoga Murata și profesorul asociat Takao Sasagawa, a demonstrat BPVE într-un material numit CuCrP2S6 (CCPS), un cristal van der Waals stratificat. Acest material trece de la o structură non-centrosimetrică la temperaturi scăzute la o structură medie centrosimetrică la temperatura camerei. Cu toate acestea, cercetătorii au observat un fotocurent clar cu polarizare zero la temperatura camerei, de aproximativ 1,5 ori mai mare decât cel din faza de joasă temperatură.
„Conform teoriei convenționale, BPVE ar trebui să dispară în faza de temperatură camerei, deoarece simetria de inversie este restabilită. În mod surprinzător, experimentele noastre au arătat că un fotocurent clar cu polarizare zero persistă la temperatura camerei și este chiar amplificat”, a declarat Sasagawa.
La temperaturi scăzute, ionii de cupru (Cu+) ocupă poziții ușor deplasate în octaedrii de sulf. Pe măsură ce temperatura crește, acești ioni devin tot mai mobili și se deplasează între diferite poziții în cristal. Între aproximativ 145 și 190 K, materialul intră într-o stare dezordonată dinamic. La temperatura camerei, structura cristalină medie devine centrosimetrică.
Cercetătorii au măsurat fotocurenți în cristale de CCPS folosind diferite materiale de electrod (argint și platină) în diverse condiții de lumină (polarizare, putere și lungime de undă). Sub iluminare laser, au observat un fotocurent exclusiv de-a lungul axei polare a, care a persistat pe întregul interval de temperatură de la 15 la 300 K.
Comportamentul neașteptat a fost atribuit mișcării dinamice a ionilor de Cu+ în rețeaua cristalină. La temperatura camerei, acești ioni nu rămân în poziții fixe, ci fluctuează între mai multe situri posibile. Pe termen lung, pozițiile ionilor se mediază, făcând cristalul să pară simetric. Totuși, ionii se mișcă mult mai lent, pe scări de timp de ordinul picosecundelor sau mai mult, comparativ cu răspunsul electronic la lumină, care are loc în femtosecunde. Prin urmare, electronii răspund la pozițiile instantanee ale ionilor de Cu+, permițând acestor regiuni asimetrice temporare să contribuie la BPVE.
„În consecință, clusterele polare generate dinamic pot contribui la răspunsul de tip shift-current, chiar dacă simetria macroscopică apare centrosimetrică în măsurătorile de difracție”, explică Sasagawa.
Descoperirile contrazic viziunea convențională conform căreia un BPVE puternic necesită o structură permanent non-centrosimetrică. În schimb, arată că ruperea temporară și locală a simetriei cauzată de mișcarea atomică poate contribui și chiar amplifica efectul.
„Lucrarea sugerează o nouă filozofie de proiectare a materialelor: în loc să suprimăm mișcarea atomică, fluctuațiile dinamice pot fi utilizate în mod deliberat pentru a întări conversia fotoelectrică. Acest concept poate deschide noi căi pentru dezvoltarea materialelor fotovoltaice de generație viitoare, a dispozitivelor optoelectronice autoalimentate și a tehnologiilor de colectare a energiei bazate pe materiale van der Waals”, conchide Sasagawa.
