Ein kürzlich veröffentlichter Artikel des Forschungsteams unter der Leitung von Associate Professor Yang Bai von der Universität Oulu in Finnland ist auf der Rückseite der Zeitschrift Advanced Electronic Materials abgebildet.
Ein Forscherteam, darunter Vasilii Balanov, Jani Peräntie, Jaakko Palosaari, Suhas Yadav und Yang Bai , hat Fortschritte auf dem Gebiet der multifunktionalen Energiegewinnung erzielt. Ihre jüngste Studie trägt zum Verständnis des Photovoltaikeffekts in ferroelektrischen Kristallen bei.
Der Artikel berichtet über die jüngsten Forschungsergebnisse des Teams zur Verbesserung der elektrischen Leistung des Bulk-Photovoltaikeffekts (BPVE) durch Manipulation ferroelektrischer Domänen in Oxid-Perowskit-Kristallen. Der Titel des Artikels lautet „ Studie zum Ein?uss der Wechselstrompolung auf den Bulk-Photovoltaikeffekt in Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3-PbTiO3-Einkristallen“ . Der Artikel ist für Laien etwas schwierig und bedarf einer Erklärung.
„Bei herkömmlichen Solarzellen basiert der Mechanismus zur Gewinnung von Sonnenenergie und deren Umwandlung in grünen Strom auf der Bildung von pn-Übergängen in Halbleitern. Während pn-Übergänge bereits seit über einem Jahrhundert bekannt sind und heute in der Siliziumindustrie weit verbreitet sind, handelt es sich bei BPVE um ein erst kürzlich entdecktes physikalisches Phänomen aus den 1960er und 1970er Jahren. BPVE ist nicht auf pn-Übergänge angewiesen, um mit Sonnenenergie zu funktionieren. Sie bildet einen eigenen „Selbstübergang“ und könnte theoretisch die physikalische Grenze des Shockley-Queisser-Limits durchbrechen, das die Effizienz von Solarzellen mit einzelnen pn-Übergängen verhindert“, erklärt Professor Yang Bai von der Forschungseinheit Mikroelektronik.
Der praktische Einsatz von BPVE ist derzeit eine Herausforderung, da die Ausgangsleistung BPVE-basierter Zellen im Vergleich zu pn-basierten Photovoltaikzellen noch vernachlässigbar ist. In dieser Studie beweist Bais Team, dass durch die Schaffung einer gestapelten Domänenstruktur eine 35-prozentige Verbesserung der Ausgangsleistung BPVE-basierter Zellen erreicht werden kann. Eine Domäne ist ein submikrometergroßer Bereich mit spontanen Polarisationen gleicher Ausrichtung, der durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgeschaltet werden kann.
Die Verbesserung der elektrischen Leistung von Bais BPVE-Bauelement wird durch die Anwendung eines Wechselstrom-Polungsfeldes erreicht. Dadurch wird die Mikrostruktur (Domänen) innerhalb der Kristalle besser ausgerichtet als unter dem herkömmlich verwendeten Gleichstromfeld. Nach dem Entfernen des Feldes bleiben die Domänen in diesem besser ausgerichteten Zustand. Die besser ausgerichteten Domänen tragen dazu bei, die Rekombination elektrischer Ladungsträger zu reduzieren und so die Effizienz der Energieumwandlung zu erhöhen. Die Ergebnisse der Arbeit ebnen den Weg für die Entwicklung effizienterer BPVE-Zellen, die dazu beitragen können, die Multifunktionalität zukünftiger photonischer, Computer-, Sensor- und Energiegewinnungsgeräte zu erschließen.
„Die ersten konkreten Anwendungen werden in kleinen Sensor- und Computergeräten liegen, wo wir zusätzlich zu den elektrischen Signalen Licht unterschiedlicher Wellenlängen als zusätzlichen Freiheitsgrad für den Betrieb einspeisen können. So haben wir beispielsweise bereits den Einsatz von BPVE in filterlosen Farbsensoren erprobt . Weitere Beispiele sind Komponenten für neuromorphes Computing und Multi-Source-Energieerzeuger für IoT-Geräte (Internet of Things),“ sagt Yang Bai.
Trotz des nun erzielten Durchbruchs bleibt noch viel Forschungsarbeit zu leisten. Yang ist sich der Herausforderungen bewusst und die zukünftigen Ziele sind klar.
In diesem Artikel bestätigen Yang Bai und seine Kollegen die Hypothese eines verbesserten Photovoltaikeffekts durch eine gestapelte Domänenstruktur in ferroelektrischen Kristallen Diese Hypothese wurde bisher nur in epitaktischen Dünnschichten nachgewiesen und blieb bei anderen Materialien über ein Jahrzehnt lang eine offene Frage
https://doi.org/10.1002/aelm.202570009
