גילוי של מושג חדש בפוטו-וולטאים המנצל את יכולתם של חומרים להתקיים בשלבים גבישיים שונים

צוות חוקרים מהמרכז לפיזיקה משולבת וחומרים פוטוניים באוניברסיטת דרזדן לטכנולוגיה ומהמרכז לאלקטרוניקה מתקדמת בדרזדן הדגימו תפיסה חדשה של תאים סולאריים המנצלים את יכולתם של חומרים להתקיים בשלבים גבישיים שונים. המחקר הקשור כעת פורסם בכתב העת Nature Energy.

מטרתו של תא פוטו-וולטאי היא להפוך את אור השמש לחשמל. על ידי קליטת אור השמש, נוצרים זוגות של נושאי מטען, אשר לאחר מכן צריכים להיות מופנים לצדדים מנוגדים של הדיודה הפוטו-וולטאית על מנת ליצור זרם חשמלי. כדי להקל על תהליך זה, רוב התאים הסולאריים כוללים הטרו-צומת המספק נוף אנרגיה נוח להניע את הפרדת המטען.

לדוגמה, תאים סולאריים סיליקון יוצרים הטרוג'נקציות על ידי סימום חשמלי של כל צד של המכשיר, וכתוצאה מכך נוצר צומת pn. תאים סולאריים אורגניים, לעומת זאת, מסתמכים על ערבוב סוגים שונים של חומרים (תורם ומקבל) ליצירת הטרוג'נקציות בתפזורת. עם זאת, מושגים אלה אינם ניתנים ליישום בדרך כלל על כיתות מתפתחות של חומרים פוטו-וולטאיים חדשים.

צוות המחקר של הפרויקט הוכיח כעת קונספט חדש ליצירת צמתים הטרו-וולטאיים. על מנת לעשות זאת, החוקרים ניצלו את העובדה שלעתים קרובות חומרים יכולים להתקיים בצורות מבניות שונות, הנקראות פאזות גבישיות.

תופעה זו, המכונה פולימורפיזם, פירושה שאותו חומר יכול להפגין תכונות שונות בהתאם לסידור הספציפי של אטומים ומולקולות במבנה שלו. על ידי קישור בין שני שלבים גבישיים של אותו חומר, החוקרים הדגימו לראשונה היווצרות של תא סולארי הטרו-צומת. באופן ספציפי, החוקרים בחרו בצסיום יודיד עופרת כלקוגניד - חומר סופג תאים סולריים יעיל בשלבי בטא וגמא - עבור הרעיון החדש שלהם.

החוקרים הסבירו, "התכונות האופטיות והאלקטרוניות של יודיד עופרת צסיום בשלבים ובשלבים שונים זה מזה, ועל ידי הנחת כלקוגניד על גבי הכלקוגניד, הצלחנו ליצור תא סולארי שלב הטרו-צומת יעיל יותר מסולארי. תאים המבוססים על כלקוגניד חד פאזי." במחקרם הראו החוקרים כי השכבה העליונה של השלב משפיעה על ביצועי התא הסולארי במספר דרכים.

ניתוח ספקטרוסקופי מתקדם הראה שהביצועים המשופרים קשורים לספיגת אור מוגברת ויצירת יישור אנרגיה חיובי בין שני השלבים, אמרו החוקרים.

חשוב לציין, החוקרים אישרו שההטרוג'נקציה הפאזה נשארה יציבה במהלך פעולת תאים סולאריים ואף דיכאה נדידת יונים בבולם תאי השמש, ופתרה בעיה נפוצה בחומרי כלקוגניד.

כדי לממש את רעיון ההטרוג'נקציה של השלב, החוקרים השתמשו בשני תהליכי ייצור שונים עבור השכבות העליונות והתחתונות. החוקרים אומרים שהם מקווים שהמושג החדש הזה, בשילוב עם מסלול ייצור פשוט עבור הטרוג'נקציות פאזה, יהיה ישים גם למגוון רחב של מערכות חומרים במגוון של מכשירים אלקטרוניים ואופטואלקטרוניים.

מכיוון שהרבה מחלקות מוליכים למחצה מפגינות פולימורפיזם, רעיון זה יכול לסלול את הדרך ליישומים חדשים לחלוטין המבוססים על הטרוג'נקציות פאזה, שניתן לייצר מחומר בודד באמצעות תהליך ייצור פשוט וזול.