Відкриття нової концепції фотовольтаїки, яка використовує здатність матеріалів існувати в різних кристалічних фазах

Команда дослідників з Центру інтегрованої фізики та фотонних матеріалів Дрезденського технологічного університету та Центру передової електроніки в Дрездені продемонструвала нову концепцію сонячних батарей, яка використовує здатність матеріалів існувати в різних кристалічних фазах. Відповідне дослідження тепер опубліковано в журналі Nature Energy.

Призначення фотоелемента - перетворювати сонячне світло в електрику. Поглинаючи сонячне світло, утворюються пари носіїв заряду, які потім потрібно направити на протилежні сторони фотоелектричного діода, щоб генерувати електричний струм. Щоб полегшити цей процес, більшість сонячних елементів містять гетероперехід, який забезпечує сприятливий енергетичний ландшафт для розподілу зарядів.

Наприклад, кремнієві сонячні батареї утворюють гетеропереходи шляхом електричного легування кожної сторони пристрою, що призводить до pn-переходу. Органічні сонячні батареї, з іншого боку, покладаються на змішування різних типів матеріалів (донорів і акцепторів) для формування об’ємних гетеропереходів. Однак ці концепції зазвичай не застосовуються до нових класів фотоелектричних матеріалів.

Наразі дослідницька група проекту продемонструвала нову концепцію формування фотоелектричних гетеропереходів. Щоб зробити це, дослідники скористалися тим фактом, що матеріали часто можуть існувати в різних структурних формах, які називаються кристалічними фазами.

Це явище, відоме як поліморфізм, означає, що той самий матеріал може проявляти різні властивості залежно від конкретного розташування атомів і молекул у його структурі. З’єднавши дві кристалічні фази одного матеріалу, дослідники вперше продемонстрували утворення сонячної батареї з гетеропереходом. Зокрема, для своєї нової концепції дослідники вибрали халькогенід свинцю йодид цезію – ефективний матеріал для поглинання сонячних елементів у бета- та гамма-фазах.

Дослідники пояснили: «Оптичні та електронні властивості йодиду свинцю цезію у фазах і відрізняються один від одного, і, помістивши халькогенід поверх халькогеніду, ми змогли створити сонячний елемент із фазовим гетеропереходом, який є значно ефективнішим, ніж сонячний клітини на основі однофазного халькогеніду». У своєму дослідженні дослідники показали, що верхній шар фази впливає на продуктивність сонячної батареї різними способами.

Розширений спектроскопічний аналіз показав, що покращена продуктивність була пов’язана зі збільшенням поглинання світла та формуванням сприятливого вирівнювання енергії між двома фазами, кажуть дослідники.

Важливо, що дослідники підтвердили, що фазовий гетероперехід залишався стабільним під час роботи сонячної батареї та навіть пригнічував міграцію іонів у поглиначі сонячної батареї, вирішуючи загальну проблему з халькогенідними матеріалами.

Щоб реалізувати концепцію фазового гетеропереходу, дослідники використали два різні процеси виготовлення для верхнього та нижнього шарів. Дослідники кажуть, що сподіваються, що ця нова концепція в поєднанні з простим способом виготовлення фазових гетеропереходів також буде застосовна до широкого спектру матеріальних систем у ряді електронних та оптоелектронних пристроїв.

Оскільки багато класів напівпровідників демонструють поліморфізм, ця концепція може прокласти шлях до абсолютно нових застосувань, заснованих на фазових гетеропереходах, які можна виготовити з одного матеріалу за допомогою простого та недорогого процесу виготовлення.