Bulk-Photovoltaik-Effekt für bessere Solarzellen

Solarmodule: Nächste Generation wohl mit BPV-Effekt (Foto: pixabay.com, torstensimon)

Nagano (pte003/23.10.2024/06:10) - Forscher der Shinshu-Universität ( https://www.shinshu-u.ac.jp/english/ ) gehen dem sogenannten Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPV) in einem vielversprechenden Material für die nächste Generation von Solarenergie-Technologien auf den Grund. Der BPV ist ein ungewöhnliches Phänomen, das bestimmte Materialien in die Lage versetzen könnte, die in Solarzellen verwendeten herkömmlichen p-n-Übergänge zu übertreffen.

Nachweis von Prognosen

In ihrer kürzlich in der Fachzeitschrift "Applied Physics Letters" veröffentlichten Studie ( https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/125/7/073102/3308048/Bulk-photovoltaic-effect-of-an-alpha-phase-indium?redirectedFrom=fulltext ) haben die Wissenschaftler den BPV-Effekt in Alpha-Phasen-Indiumselenid (α-In2Se3) zum ersten Mal entlang der Richtung außerhalb der Ebene experimentell nachgewiesen und damit frühere theoretische Vorhersagen bestätigt. Die bemerkenswerte Umwandlungseffizienz ihres α-In2Se3-Bauelements ist ein hoffnungsvoller Fortschritt für künftige Solarzellen-Technologien und Photosensoren.

Ein Verständnis des photovoltaischen Effekts, durch den Licht in nützliche elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist die Basis für die Entwicklung von Solarzellen. Heute werden in den meisten Solarzellen p-n-Übergänge verwendet, die den photovoltaischen Effekt an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Materialien nutzen. Derartige Konstruktionen sind jedoch durch die Shockley-Queisser-Grenze eingeschränkt, die eine Obergrenze für die theoretische maximale solare Umwandlungseffizienz setzt und einen Kompromiss zwischen der Spannung und dem Strom, der durch den photovoltaischen Effekt erzeugt werden kann, vorschreibt.

BPV-Verschiebungsströme

Bestimmte kristalline Materialien weisen jedoch das faszinierende BPV-Phänomen auf. In Materialien ohne innere Symmetrie können sich die durch Licht angeregten Elektronen kohärent in eine bestimmte Richtung bewegen, statt in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren. Dies führt zu Verschiebungsströmen, die den BPV-Effekt hervorrufen. Obwohl Experten die Alpha-Phase von Indiumselenid (α-In2Se3) als möglichen Kandidaten für die Demonstration dieses Phänomens vorausgesagt haben, wurde es bisher noch nicht experimentell untersucht.

Um diese Wissenslücke zu schließen, hat das Shinshu-Forscher-Team unter der Leitung von Noriyuki Urakami den BPV-Effekt in α-In2Se3 untersucht. "Dieses Material ist in letzter Zeit zu einem heißen Thema in der Physik der kondensierten Materie geworden, da es in der Lage sein könnte, einen Verschiebungsstrom zu erzeugen. Unsere Studie ist die erste, die diese Vorhersage experimentell nachweist", erklärt der Experte.

Material ist der Schlüssel

Die Forscher haben das Potenzial des BPV-Effekts in α-In2Se3 gemessen und mit dem in anderen Materialien verglichen. "Unser α-In2Se3-Bauelement weist eine Quanteneffizienz auf, die um mehrere Größenordnungen höher ist als die anderer ferroelektrischer Materialien und mit der von niedrigdimensionalen Materialien mit verstärkter elektrischer Polarisation vergleichbar ist", so Urakami. Er ist überzeugt: "Diese Entdeckung wird die Materialauswahl für die Entwicklung funktioneller photovoltaischer Geräte in naher Zukunft leiten."

Die Experten wollen einen Beitrag zur Erzeugung erneuerbarer Energie leisten. Sie hoffen, den Weg für weitere Studien zu ebnen, um den BVP-Effekt zu nutzen und die Leistung von Solarzellen sowie das Design von empfindlichen Photodetektoren zu verbessern. "Unsere Ergebnisse haben das Potenzial, die Verbreitung von Solarzellen weiter zu beschleunigen, einer der Schlüsseltechnologien für die Gewinnung von Umweltenergie und ein vielversprechender Weg zu einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft", schließt Urakami.

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