Bismuto feritas padeda įminti saulės elementams tinkamų medžiagų paslaptis

Jeigu sugerdami šviesą saulės elementai pajėgtų sukurti aukštesnes įtampas, šio įrenginiai pagamintų kur kas daugiau elektros energijos. Jau daugiau kaip 50 metų mokslininkai žino, jog feroelektrikai – medžiagos, kurių atominė sandara joms leidžia pasižymėti visišku elektriniu poliarizuotumu – gali sugeneruoti itin aukštas fotoįtampas. Iki pat dabar niekas nesugebėjo išaiškinti, kaip tiksliai vyksta šis fotovoltinis procesas.

Visai neseniai JAV Energijos departamento Lorenco Berklio nacionalinės laboratorijos ir Kalifornijos universiteto Berklyje specialistai įminė aukštos įtampos paslaptį vienoje feroelektrinėje medžiagoje ir nustatė, jog tas pats principas turėtų galioti ir kitose panašios sandaros dariniuose. Mokslininkų komandos darbas publikuotas „Physical Review Letters“ žurnale.

„Mes nagrinėjome itin plonas bismuto ferito (BiFeO₃) plėveles, kurias laboratorijoje užaugino mūsų kolega Ramamortis Ramešas (Ramamoorthy Ramesh), – pasakoja tyrimams vadovavęs Džoelis Ageris (Joel Ager) iš Berklio laboratorijos Medžiagų mokslo padalinio. – Šios plonosios plėvelės turi sritis, vadinamas domenais, kur elektrinio poliarizuotumo kryptis yra skirtingos. R. Ramešo vadovaujama komanda sugeba pagaminti plėveles, kuriose galima valdyti domenų sandarą.“

Kadangi bismuto feritas pasižymi įdomiomis savybėmis, Kalifornijos universiteto Berklyje medžiagų mokslo, inžinerijos ir fizikos profesoriaus R. Ramešo vadovaujama mokslininkų komanda ilgai nagrinėjo šią medžiagą konstruodama įvairius jos pagrindo prietaisus.

Bismuto ferito plėvelės, kurias nagrinėjo D. Ageris su kolegomis, pasižymi unikalia periodine domenine struktūra, nusitęsiančia šimtus mikrometrų. Domenai susiformuoja juostelėmis, kurių matmenys siekia nuo 50 iki 300 nanometrų. Šias juosteles atskiria apie 2 nanometrų storio domenų sienelės. Kiekvienoje iš juostelių elektrinio poliarizuotumo kryptis yra priešinga (lyginant su kaimyninėmis juostelėmis).

Kadangi plonųjų bismuto ferito plėvelių periodinė struktūra yra išsiplėtusi ir domeninė, tyrėjų komandai pavyko išvengti sunkumų, su kuriais susidūrė kitos mokslininkų grupės, bandydamos perprasti kitų feroelektrikų fotovoltinius efektus. Mokslininkai darė prielaidas, jog skirtingas poliarizuotumo kryptis lemia priemaišiniai atomai arba skirtingi polikristalinės medžiagos grūdeliai.

„Labai tiksliai galime nustatyti bismuto ferito elektrinių laukų vietą ir dydį“, – teigia D. Ageris. Taigi mokslininkas kartu su kolegomis sugebėjo „mikroskopiniu lygmeniu perprasti“, kas vyksta kiekviename atskirame domene ir visoje jų sankaupoje.

„Kuomet mes apšvietėme bismuto ferito plėveles, išmatavome labai aukštas įtampas, keliolika kartų viršijančias pačios medžiagos draudžiamosios juostos įtampą, – tęsia tyrėjas. – Atlekiantys fotonai išlaisvina elektronus ir sukuria skyles, tad srovė ima tekėti kryptimi, statmena domenų sienelėms. Šis procesas vyksta nepaisant to, jog nėra sandūros, kuri būdinga saulės elementams, sudarytiems iš neigiamo ir teigiamo legiravimo puslaidininkių.“

Atvirojoje grandinėje srovė teka statmenai domenų sienelėms, todėl tam, kad galėtų ją išmatuoti, tyrėjai prie bismuto ferito plėvelės prijungė platininius elektrinius kontaktus. „Kuo kontaktai yra toliau vienas nuo kito, tuo daugiau domenų sienelių turi įveikti srovė, tad tuo aukštesnė įtampa“.

Tapo aišku, jog domenų sienelės, atskiriančios priešingo elektrinio poliarizuotumo sritis, vaidina svarbiausią vaidmenį augančios įtampos istorijoje. Šie eksperimentiniai pastebėjimai padėjo pamatus išsamiam bismuto ferito krūvininkų pernašos modeliui. Šio darbo ėmėsi kiti Medžiagų mokslo departamento ir Kalifornijos universiteto Berklyje mokslininkai.

Sukurtasis modelis atskleidžia stebinantį ir stebinančiai paprastą proceso, kurio metu kiekvienas priešingos orientacijos domentas sukuria perteklinį krūvį ir perduoda jį savo kaimynui, paveikslą. Kiekvienos domeno sienelės pusės priešingo ženklo krūviai sukuria elektrinį lauką, kuris verčia krūvininkus tolti vienas nuo kito. Vienoje sienelės pusėje susikaupia elektronai, tad skylės yra atstumiamos. Kitoje pusėje susikaupia skylės, o elektronai imasi atstumtųjų vaidmens.

Nors saulės elementų našumas gerokai sumažėja, kuomet elektronai ir skylės nieko nedelsdami rekombinuoja, čia taip negali atsitikti dėl stiprių elektrinių laukų, kuriuos sukuria priešingo poliarizuotumo domenų krūviai.

„Tačiau elektronams ir skylėms reikia vieni kitų draugijos, – toliau tęsia mokslininkas. – Tad jie ir ieško partnerių.“ Skylės ir elektronai pajuda nuo domenų sienelių priešingomis kryptimis – domeno centro link, kur elektrinis laukas yra silpnesnis. Kadangi elektronų yra daugiau nei skylių, iš vieno domeno į kitą pernešami pertekliniai elektronai. Jie visi juda ta pačia bendros srovės kryptimi.

„Tai tarsi žmonių grandinė, kuri darniai perduoda elektronus iš vieno domeno į kitą“. Įtampos augimas primena pjūklo danties formos potencialą, kadangi kiekvienas domenas vis prideda savo indėlį.

Bismuto feritas nėra itin tinkamas saulės elementams, nes reaguoja tik į mėlyną ir artimąją ultravioletinę šviesą, tad atkrenta labai didelė saulės spinduliuojamo spektro dalis. „Taigi, mums reikia medžiagos, sugeriančios daugiau šviesos“, – teigia D. Ageris.

Bismuto ferito atsako į šviesą efektyvumas – krūvininkų ir sugertų fotonų santykis – geriausias prie domenų sienelių. Nors susidaro itin aukšta įtampa, kitas galingiems saulės elementams būtino komponento – stiprios srovės – trūksta.

„Esame tikri, jog šis efektas pasireikš daugybėje kitų pjūklinio potencialo sistemų, – optimistiškai į ateitį žvelgia tyrėjas. – Galbūt netgi suveiks kitokios geometrijos. Mes jau ieškome naujų kandidatų.“

Jeigu pavyktų aptartąjį feroelektrikų fotovoltinį efektą susieti su stipriomis srovėmis ir dideliu našumu, būdingu geriausiems šiuolaikiniams saulės elementams, būtų galima pasvajoti apie itin galingus saulės elementų masyvus.