Στο δρόμο για παραγωγή πολυζωνικών ηλιακών κυττάρων για την καλύτερη χρήση του ηλιακού φάσματος

Ένα πρόβλημα με τα σύγχρονα ηλιακά κύτταρα, που συγκροτούν τις ηλιακές κυψέλες, είναι ότι αυτά μπορούν να αξιοποιήσουν μόνο το φως μιας μόνο ενέργειας, ενώ το ηλιακό φάσμα καλύπτει ένα ευρύ φάσμα ενεργειών. Αυτό σημαίνει ότι πολύ λίγη από την διαθέσιμη ενέργεια στην πραγματικότητα έχει αιχμαλωτιστεί. Αλλά για να λειτουργήσει το ηλιακό κύτταρο, θα πρέπει τα προσπίπτοντα φωτόνια να είναι ικανά να μεταφέρουν φορτίο χρησιμοποιώντας και τις τρεις ζώνες μετάβασης (σθένους-ενδιάμεση, ενδιάμεση-αγωγιμότητας και αγωγιμότητας-σθένους), με μια διαδικασία γνωστή ως οπτική απορρόφηση. Αυτό είναι το δύσκολο μέρος. Τώρα, για πρώτη φορά, οι ερευνητές του Berkeley Lab έχουν κατασκευάσει κράμα ηλιακών κυττάρων και απέδειξαν ότι οι οπτικές μεταβάσεις πράγματι συμβαίνουν και στις τρεις περιπτώσεις.

«Είναι δύσκολο να βρεθεί ένα σύστημα υλικών και με τις τρεις οπτικές μεταβάσεις και είναι ακόμα πιο δύσκολο να δείξεις ότι οι μεταβάσεις συμβαίνουν ταυτόχρονα», εξηγεί ο Wladek Walukiewicz, υπέυθυνος του επιστημονικού προσωπικού στο Τμήμα Επιστημών Υλικών του Berkeley Lab. «Κανονικά, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν επιλεκτική διέγερση για να ελέγξουν μια οπτική σύζευξη υλικών. Μια πηγή φωτός προκαλεί μετάβαση από τη ζώνη σθένους στην ενδιάμεση ζώνη και μια άλλη από την ενδιάμεση προς τη ζώνη αγωγιμότητας. Αλλά με αυτόν τον τρόπο, είναι πολύ δύσκολο να πει κανείς ποιο φωτόνιο ήταν η πηγή διέγερσης».

Αντί να ψάχνει για απορρόφηση των φωτονίων, ο Walukiewicz αποφάσισε να πειραματιστεί με την παραγωγή φωτονίων. Ένας ημιαγωγός μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δύο τρόπους: με αυτόν που λειτουργεί ένα ηλιακό κύτταρο, ένας απορροφητής για να παραγάγει ηλεκτρική ενέργεια ή με αυτόν όπως σε μια δίοδο εκπομπής φωτός (LED), όπου, σε μια διαδικασία που είναι γνωστή ως ηλεκτροφωταύγεια, η εφαρμογή της εξωτερικής τάσης παράγει φως. Η ομάδα του Berkeley έδειξε ότι η εφαρμογή διαφοράς δυναμικού στις δομές της ενδιάμεσης ζώνης των ηλιακών κυττάρων, που είχαν προηγουμένως αναπτύξει, οδηγεί στην εκπομπή των φωτονίων. Παρατήρησαν ταυτόχρονα δύο κορυφές ηλεκτροφωταύγειας που αντιστοιχούν στις ενέργειες οπτικών μεταβάσεων που αναμένονταν στη δομή των κυττάρων.

«Εάν μπορείτε να παρατηρήσετε εκπομπή ηλεκτροφωταύγειας, μπορείτε να συμπεράνετε ότι θα συμβεί επίσης απορρόφηση της ίδιας ενέργειας», προσθέτει ο Walukiewicz. «Με μια κανονική δίοδο, βλέπετε μια κορυφή η οποία σχετίζεται με το διάκενο των ζωνών. Στην περίπτωσή μας, θα δείτε πως δύο διαφορετικά κενά παράγουν δύο χρωματικές εκπομπές».

Το κλειδί για την επιτυχία ήταν η προηγούμενη ανακάλυψη, της ομάδας του Walukiewicz, των κραμάτων που τους επέτρεψε να κατασκευάσουν τροποποιημένους ημιαγωγούς. Έδειξαν ότι ενσωματώνοντας άζωτο μέσα σε ημιαγωγό αρσενικούχου γάλλιου, οδηγεί στο σχηματισμό του κράματος Γαλλίου-Αζώτου-Αρσενικού που έχει μια τρίτη ενδιάμεση ζώνη. Για τη μελέτη αυτή, οι δομικές παραλλαγές με μια αποκλεισμένη ενδιάμεση ζώνη επιβεβαίωσαν ότι οι κορυφές ηλεκτροφωταύγειας προήλθαν από μεταβάσεις μεταξύ των ζωνών: ενδιάμεσης και αγωγιμότητας και σθένους.

Όχι μόνο έδειξε το πείραμα τις οπτικές μεταβάσεις που είναι βασικές να τις εκτελεί μια ενδιάμεση ζώνη ηλιακού κυττάρου, αλλά άνοιξε επίσης μια δυνατότητα για τη χρήση τροποποιημένης δομής κυττάρων ως ένα πολύχρωμη πηγή φωτός.

«Η άμεση επίδειξη της οπτικής σύζευξης μεταξύ διαφορετικών ζωνών, θα έχει θετικό αντίκτυπο στον τομέα των ηλιακών κυττάρων υψηλής απόδοσης», λέει η επίσης συγγραφέας της δημοσίευσης Nair Lopez, φυσικός τώρα στο Universidad Autónoma της Μαδρίτης. Τώρα που αυτές οι οπτικές μεταβάσεις αποδείχθηκαν ότι υπάρχουν, θα εργαστεί «για τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του υλικού και το σχεδιασμό συσκευής για να βελτιωθεί η απόδοση της μετατροπής ηλιακής ενέργειας. Επιπλέον, προσπαθούμε με νέα κράματα να παράγουμε πολυζωνικά ηλιακά κύτταρα».

Για να υπάρξει μια ενεργειακά αποδοτική τεχνολογία, πρέπει να βελτιωθεί η απορρόφηση των ηλιακών κυττάρων. Αλλά αποδεικνύοντας ότι ένα μόνο υλικό μπορεί να δημιουργήσει οπτικές μεταβάσεις σε όλο το ηλιακό φάσμα είναι ένα κρίσιμο βήμα στο δρόμο προς ένα ανταγωνιστικό προϊόν.

Πηγή: Berkeley Lab

Περισσότερα στην μελέτη: Multicolor Electroluminescence from Intermediate Band Solar Cell Structures, Advanced Energy Materials

Περισσότερα για το έργο του Solar Energy Materials Research Group.