10:05
Исследователи из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге добились увеличения фотоэлектрического эффекта сегнетоэлектрических кристаллов в 10 раз за счет создания кристаллических слоев титаната бария, титаната стронция и титаната кальция, которые они попеременно помещали друг на друга.
Их выводы, опубликованные в журнале Science Advances, могут значительно повысить эффективность солнечных элементов.
В своей статье исследователи объяснили, что большинство солнечных элементов в настоящее время основаны на кремнии, а это означает, что их эффективность ограничена. Это побудило их изучить свойства титаната бария, смешанного оксида бария и титана.
«Сегнетоэлектрик означает, что материал имеет пространственно разделенные положительные и отрицательные заряды», - сказал Акаш Бхатнагар, соавтор исследования, в заявлении для СМИ. «Разделение зарядов приводит к асимметричной структуре, которая позволяет вырабатывать электричество из света».
В отличие от кремния, сегнетоэлектрические кристаллы не требуют так называемого pn-перехода для создания фотоэлектрического эффекта, другими словами, не требуется положительно и отрицательно легированных слоев. Это значительно упрощает производство солнечных батарей.
+Бхатнагар объяснил, что чистый титанат бария не поглощает много солнечного света и, следовательно, генерирует сравнительно низкий фототок. Однако последние исследования показали, что сочетание чрезвычайно тонких слоев различных материалов значительно увеличивает выход солнечной энергии.
«Здесь важно то, что сегнетоэлектрический материал чередуется с параэлектрическим материалом. Хотя последний не имеет разделенных зарядов, он может стать сегнетоэлектрическим при определенных условиях, например, при низких температурах или когда его химическая структура немного изменена », - сказал физик.
Исследовательская группа Бхатнагара обнаружила, что фотоэлектрический эффект значительно усиливается, если сегнетоэлектрический слой чередуется не только с одним, но и с двумя разными параэлектрическими слоями.
Таким образом, они включили титанат бария между титанатом стронция и титанатом кальция. Это было достигнуто путем испарения кристаллов с помощью мощного лазера и повторного осаждения их на несущие подложки. В результате получился материал из 500 слоев толщиной около 200 нанометров.
При проведении фотоэлектрических измерений новый материал облучали лазерным светом. Результат оказался неожиданным: по сравнению с чистым титанатом бария такой же толщины ток был в 10 раз сильнее - и это несмотря на то, что доля титаната бария как основного фотоэлектрического компонента была уменьшена почти на две трети.
«Взаимодействие между слоями решетки, по-видимому, приводит к гораздо более высокой диэлектрической проницаемости - другими словами, электроны могут двигаться намного легче из-за возбуждения световыми фотонами», - сказал Бхатнагар. Измерения также показали, что этот эффект очень устойчив: он оставался почти постоянным в течение шести месяцев.
Ученый также сказал, что теперь необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы точно выяснить, что вызывает выдающийся фотоэлектрический эффект. Тем не менее, он уверен, что потенциал, продемонстрированный новой концепцией, может быть использован для практических применений в солнечных батареях.
«Слойная структура показывает более высокий выход во всех температурных диапазонах, чем чистые сегнетоэлектрики. Кристаллы также значительно прочнее и не требуют специальной упаковки».
