Wszystko przez to, że wspomniany zespół odkrył, iż właściwości te można połączyć dzięki nietypowej strukturze półprzewodnika. Materiałem, który miałby otworzyć nowy kierunek rozwoju fotowoltaiki, okazał się siarczek bizmutu. Wyniki badań pojawiły się w Nature, a inżynierowie mogą powoli szykować się do funkcjonowania w nowej rzeczywistości.
Czytaj też: 43% więcej energii bez większego akumulatora. Chiny pokazały, jak powinien rozwijać się elektryk
W ogniwach fotowoltaicznych światło słoneczne dostarcza energii elektronom, które przechodzą do stanu umożliwiającego przepływ prądu. W ich miejscu powstają dziury elektronowe, czyli dodatnio naładowane stany. Aby można było wykorzystać energię, elektrony i dziury muszą zostać rozdzielone i zebrane przez odpowiednie elementy ogniwa.
Problem pojawia się wtedy, gdy ponownie się spotykają. Dochodzi wówczas do zjawiska nazywanego rekombinacją, podczas którego energia ucieka, zamiast ulec przekształceniu w użyteczną energię elektryczną. W wielu tradycyjnych półprzewodnikach im skuteczniej materiał pochłania światło, tym szybciej mogą zanikać wytworzone nośniki ładunku.
Naukowcy odkryli, że siarczek bizmutu zachowuje się inaczej niż typowe materiały półprzewodnikowe. Jego niezwykłość wynika ze specyficznego układu poziomów energetycznych, który pozwala skutecznie pochłaniać światło, a jednocześnie spowalnia proces zanikania elektronów i dziur. Materiał charakteryzuje się bowiem pseudo-bezpośrednią przerwą energetyczną. W praktyce oznacza to współistnienie dwóch blisko położonych przejść energetycznych: silnego przejścia bezpośredniego oraz słabszego przejścia pośredniego. To drugie tworzy rodzaj tymczasowego magazynu, w którym nośniki ładunku mogą przebywać dłużej, zanim ulegną rekombinacji.
Zespół badawczy oszacował, że w temperaturze pokojowej mechanizm ten może ograniczać szybkość rekombinacji o około 75 procent w porównaniu z tradycyjnymi materiałami pochłaniającymi światło z podobną intensywnością. Aby zbadać zachowanie nowego materiału, uczeni wykorzystali cienkie warstwy siarczku bizmutu, które pobudzali za pomocą niezwykle krótkich impulsów laserowych. Następnie obserwowali, jak szybko zanikają powstałe nośniki ładunku.
Czytaj też: Nowa rzeczywistość w przetwarzaniu ropy naftowej. Naukowcy wywołali ogromny spadek zużycia energii
W tym celu zastosowali technikę ultra szybkiej spektroskopii terahercowej, pozwalającą analizować procesy zachodzące w bardzo krótkich przedziałach czasu. Pomiary odbywały się w różnych temperaturach: od pokojowej aż do wartości zbliżonych do zera absolutnego. Szczególnie zaskakujący okazał się wpływ temperatury. W większości badanych półprzewodników obniżanie temperatury przyspieszało zanik nośników ładunku. W przypadku siarczku bizmutu pojawiła się odwrotna zależność, gdyż ładunki utrzymywały się dłużej, ponieważ coraz większa ich część trafiała do wspomnianego wcześniej stanu magazynującego.
To bardzo istotne w kontekście przyszłości energetyki słonecznej. Dłuższy czas życia nośników ładunku oznacza większą szansę na ich zebranie i wykorzystanie do produkcji prądu. Co ważne, nie trzeba przy tym rezygnować z wysokiej zdolności pochłaniania światła. Potencjalne zastosowania nie ograniczają się zresztą do fotowoltaiki. Dłużej utrzymujące się ładunki mogą również ułatwić reakcje chemiczne wykorzystywane do produkcji paliw z wykorzystaniem energii słonecznej. Badacze podkreślają jednak, że nie stworzyli jeszcze gotowego ogniwa fotowoltaicznego o rekordowej sprawności. Udowodnili przede wszystkim istnienie mechanizmu fizycznego, który może posłużyć do projektowania nowych materiałów.
Źródło: Nature
