Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego znaleźli półprzewodnik, który łączy dwie cechy dotąd trudne do pogodzenia: silnie pochłania światło i jednocześnie wolno traci wytworzony ładunek elektryczny. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature”, a w przyszłości mogą pomóc w budowie wydajniejszych paneli fotowoltaicznych.

Kompromis, który ogranicza fotowoltaikę

Ogniwa słoneczne korzystają z półprzewodników. Pochłaniają one światło i wykorzystują jego energię do uwolnienia elektronów, czyli cząstek o ładunku ujemnym. Po każdym z nich zostaje „dziura” o ładunku dodatnim. Aby powstał prąd, ładunki trzeba zebrać, zanim elektron połączy się z dziurą i oba znikną, a ich energia zostanie zmarnowana.

Problem polega na tym, że materiały silniej pochłaniające światło zwykle też szybciej gubią ładunki. To właśnie ten kompromis ogranicza sprawność, z jaką ogniwa zamieniają światło słoneczne w energię elektryczną.

Co wyróżnia siarczek bizmutu

Badacze odkryli, że siarczek bizmutu najwyraźniej ten kompromis omija. Ma nietypowy układ poziomów energetycznych. Światło pochłania głównie jedną, silną drogą przejścia między poziomami, ale tuż poniżej niej leży druga, znacznie słabsza. Ładunki giną przez nią tylko powoli. Obie są położone tak blisko siebie energetycznie, że ładunki spędzają sporo czasu w stanach o niższej energii. Działają one jak tymczasowy „zbiornik”, który spowalnia utratę ładunku. Fizycy nazywają taki materiał półprzewodnikiem pseudoprostym.

Zespół badał cienkie warstwy siarczku bizmutu, pobudzane ekstremalnie krótkimi impulsami laserowymi. Następnie mierzył, jak szybko znikają ładunki, stosując ultraszybką spektroskopię terahercową. Pomiary wykonano w temperaturach od pokojowej do tuż powyżej zera absolutnego. W większości półprzewodników ładunki giną szybciej po schłodzeniu, tutaj było odwrotnie: gdy więcej ładunków trafiało do „zbiornika”, ich utrata zwalniała. Zgadzało się to z modelem opracowanym na podstawie obliczeń struktury elektronowej.

Według szacunków autorów w temperaturze pokojowej takie rozwiązanie zmniejsza tempo utraty ładunków o około 75 proc. w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami, które równie silnie pochłaniają światło.

Jak ujęła to prof. Laura Herz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Oksfordzkiego: „Nasza praca pokazuje, że ten kompromis nie jest nieunikniony”.

Co to oznacza w praktyce

Dłużej żyjące ładunki mają większą szansę zostać zebrane, co mogłoby zmniejszyć jedną z podstawowych strat energii w ogniwach, bez rezygnacji z silnego pochłaniania światła. Więcej czasu na przebieg reakcji chemicznych mogłoby też pomóc w technologiach zamiany światła słonecznego na paliwa.

Autorzy zastrzegają, że to odkrycie mechanizmu fizycznego, a nie gotowe ogniwo. Potrzeba dalszych badań, by przełożyć je na działające technologie. Według obliczeń zespołu podobne materiały można szukać w bazach danych lub projektować. Praca powstała we współpracy Oksfordu z Uniwersytetem Wuhan w Chinach.

Czy dotyczy to Polski

Dla polskiego odbiorcy to na razie wiadomość z zakresu badań podstawowych. Nie oznacza, że w najbliższych latach pojawią się w sprzedaży panele z siarczku bizmutu ani że zmieni się oferta dla właścicieli instalacji domowych. Droga od odkrycia mechanizmu do produktu rynkowego bywa długa i wymaga m.in. wykonania ogniw i sprawdzenia ich w praktyce.

Znaczenie odkrycia jest jednak szersze: wskazuje nową zasadę projektowania materiałów dla fotowoltaiki. Skoro wydajność paneli, które już dziś są popularne w Polsce i całej UE, zależy od strat ładunku w materiale, nowe półprzewodniki mogą w dalszej perspektywie pomóc uzyskiwać więcej energii z tej samej powierzchni.

Źródło: Tech Xplore – „Semiconductors could sidestep a key solar-energy trade-off through a newly identified mechanism”