Φυσικοί προτείνουν "ασύρματα" ηλιακά κύτταρα.

Πολυστρωματική δομή από βαναδικό λανθάνιο και τιτανικό στρόντιο. 

Ένας νέος τύπος ηλιακών κυττάρων που βασίζεται σε μια εκπληκτική ιδιότητα ορισμένων μονωτήρων έχει προταθεί από τους φυσικούς στην Αυστρία, τις ΗΠΑ και τη Γερμανία. Ο σχεδιασμός βασίζεται στην ανακάλυψη πριν από μία δεκαετία ότι η διεπαφή μεταξύ δύο μονωτικών οξειδίων μπορεί να γίνει μεταλλική, κάτι που θα μπορούσε να εξαλείψει την ανάγκη για μεταλλικά σύρματα στα ηλιακά κύτταρα. Εάν μειωθεί το κόστος παραγωγής των στρωματικών δομών των οξειδίων, η έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα νέο τύπο φωτοβολταϊκών κυττάρων υψηλής απόδοσης.

Το 2004 ο Harold Hwang και Akira Ohtomo έκαναν την αξιοσημείωτη ανακάλυψη ότι όταν ένα στρώμα του μονωτή τιτανικού λανθανίου αναπτυχθεί πάνω στον μονωτήρα από τιτανικό στρόντιο, μια 2D μορφή νέφους ηλεκτρονίων στη διεπιφάνεια τίνει να γίνει μεταλλική. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από τη συσσώρευση του φορτίου στην άκρη ενός πολικού οξειδίου καθώς συναντά μια ένα πολικό οξείδιο. Έκτοτε έχουν παρατηρηθεί σε άλλες διεπαφές οξειδίων και έχει ερευνηθεί από πολλαπλές ερευνητικές ομάδες να προσπαθούν να αναπτύξουν νέες και βελτιωμένες ηλεκτρονικές συσκευές.

Αγωγιμότητα διεπαφών

Τώρα, μια ανεξάρτητη ομάδα ερευνητών στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης, του Oak Ridge National Laboratory και του Πανεπιστήμιο του Würzburg έχει κάνει υπολογισμούς που δείχνουν ότι το αποτέλεσμα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργηθεί ένα νέο είδος ηλιακών κυττάρων - που στα οποία το παραγόμενο ρεύμα εξάγεται μέσω διεπαφών και όχι από μεταλλικά σύρματα.

Τα ηλιακά κύτταρα βασίζονται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ένα φωτόνιο χτυπά ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη σθένους του υλικού και το προωθεί τη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας μια θετικά φορτισμένη "οπή". Τα ηλεκτρόνια και οι οπές πρέπει να απομακρύνονται από το φωτοβολταϊκό υλικό χωρίς ανασυνδυασμό ή να διαχέουν την ενέργεια τους σε ταλαντώσεις του πλέγματος.

Πολικά οξείδια όπως τιτανικό λανθάνιο περιέχουν ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και θετικά και αρνητικά φορτισμένα επίπεδα ατόμων. Ο Satoshi Oak Ridge του Okamoto και οι συνεργάτες του εξήγησαν ότι η συγκέντρωση αυτή θα βοηθήσει το διαχωρισμό των ηλεκτρονίων και των οπών προτού να μπορέσουν να ανασυνδυαστούν. Αν ένα τέτοιο πολικό οξείδιο συνδυαστεί με το κατάλληλο μη-πολικό οξείδιο, οι διεπαφές θα είναι μεταλλικές. Σαν αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια και οι οπές θα μπορούσαν να εξαχθούν από οποιαδήποτε πλευρά της συσκευής χωρίς να καλύπτουν την επιφάνεια με σύρματα, τα οποία δεσμεύουν ένα μέρος του φωτός από την επίτευξη της ενεργής περιοχής του κυττάρου.

Μεγιστοποιώντας την απορρόφηση

Οι ερευνητές χρειάστηκαν πρώτα, ένα πολικό οξείδιο, που θα απορροφούσε όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ενέργεια. Το εύρος ζώνης ενός υλικού είναι η ενεργειακή διαφορά μεταξύ σθένους και ζωνών αγωγιμότητας. Τα φωτόνια με ενέργειες μικρότερες από ό, τι το εύρος ζώνης δεν μπορεί να δημιουργήσει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, ενώ τα φωτόνια με ενέργειες μεγαλύτερες από ό, τι το εύρος ζώνης θα δημιουργήσουν ζεύγη. Στην τελευταία περίπτωση, όμως, η ενέργεια πέραν του εύρους ζώνης χάνεται ως θερμότητα. Ως αποτέλεσμα, το εύρος ζώνης θα πρέπει να είναι αρκετά χαμηλό ώστε να απορροφούν την αφθονία των ηλιακών φωτονίων, αλλά και αρκετά υψηλό ώστε να εξάγει όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια από τα απορροφούμενα φωτόνια.

Οι ερευνητές έφτιαξαν  βαναδικό λανθάνιο, το οποίο έχει ένα εύρος ζώνης των 1.1 eV - το ορατό φως είναι στην περιοχή 1.5 - 3.5 eV ενέργειας και περιέγραψαν τη συμπεριφορά ενός ηλιακού κυττάρου κατασκευασμένη από ένα στρώμα βαναδικού λανθανίου που δημιουργείται σε υπόστρωμα τιτανικού στροντίου. Αν και δεν ήταν σε θέση να κάνουν ακριβείς προβλέψεις σχετικά με την αποτελεσματικότητα της συσκευής, βάσει των αποτελεσμάτων τους, οι ερευνητές προτείνουν ότι τα εγγενή πλεονεκτήματα του σχεδιασμού χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης.

Σύλληψη φωτονίων υψηλής ενέργειας

Οι ερευνητές προτείνουν επίσης ότι η αποτελεσματικότητα του ηλιακού κυττάρου θα μπορούσε να αυξηθεί περαιτέρω με την ενσωμάτωση ενός στρώματος σιδηρικού λανθανίου στην κορυφή του βαναδικού λανθανίου. Το σιδηρικό λανθάνιο έχει ένα εύρος ζώνης 2,2 eV, έτσι υψηλής ενέργειας φωτόνια θα μπορούσαν να συλληφθούν σε αυτό το επίπεδο, αφήνοντας τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια να συλληφθούν από το βαναδικό λανθάνιο. Ένα project για την παραγωγή πρωτότυπων ηλιακών κυψελών  βρίσκεται σε εξέλιξη στο Πανεπιστήμιο του Würzburg.

Αισιόδοξοι αλλά επιφυλακτικοί

Ο Okamoto είναι συγκρατημένα αισιόδοξος σχετικά με το αν τα ηλιακά κύτταρα θα μπορούσαν κάποτε να είναι αρκετά αποτελεσματικά ώστε να καταστούν οικονομικά βιώσιμα. "Θα μπορούσαν να γίνουν ανταγωνιστικά, αλλά θα χρειαστεί αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα," λέει. "Επί του παρόντος, μόνο ένας περιορισμένος αριθμός εγκαταστάσεων μπορεί να αναπτυχθεί σε αυτό το είδος δομών χρησιμοποιώντας πολύ προηγμένες μεθόδους ανάπτυξης. Ελπίζω ότι όταν οι άνθρωποι κατανοήσουν πλήρως τον καλύτερο τρόπο για να αυξηθούν αυτά τα ηλιακά κύτταρα, το κόστος θα μειωθεί."

Ο Neil Greenham, ο οποίος εργάζεται για τα νέα ηλιακά κύτταρα στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, περιγράφει την έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters , ως "μια ενδιαφέρουσα θεωρία", αλλά τονίζει ότι θα είναι αδύνατο να εκτιμήσει κατά πόσον ή όχι οι ηλιακές κυψέλες θα έχουν πρακτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα τρέχοντα σχέδια εργασίας. Επίσης αμφισβητεί τον ισχυρισμό ότι απλώς ενσωματώνοντας δύο αλλεπάλληλα στρώματα θα μπορούσε να επιτρέψει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών να συλλέγονται με δύο διαφορετικές ενέργειες, γεγονός που υποδηλώνει ότι, εκτός εάν τα ζεύγη ηλεκτρονίου-οπής θα μπορούσε να εξαχθεί ξεχωριστά, κάθε επιπλέον ενέργεια που δεσμεύεται από ένα ηλεκτρόνιο στο σιδηρικό λανθάνιο να απορρίπτεται στο πλέγμα καθώς περνά μέσω του βαναδικού λανθανίου.

Ο Okamoto απάντησε ότι τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρονία και οι οπές θα πρέπει να διασχίσουν ένα λεπτό στρώμα βαναδικού λανθανίου σε "ελάχιστα femtoseconds", που είναι λιγότερα από το χρόνο που θα χρειαζόταν για να χάσουν την ενέργεια στο πλέγμα.

Πηγή, physicsworld

Απόδοση, Δ. Γιάκας