Materijal za solarnu ćeliju trebao bi upiti što više svjetlosti i ostaviti dovoljno vremena da se tako oslobođeni nositelji naboja iskoriste za proizvodnju struje. Te dvije poželjne osobine često dolaze u sukob. Istraživači sa Sveučilišta u Oxfordu pokazali su kako ih bizmutov sulfid može spojiti zahvaljujući neobičnom rasporedu svojih energetskih stanja.
U tankim filmovima tog poluvodiča izmjerili su snažno upijanje svjetlosti, ali i sporiju rekombinaciju elektrona i šupljina nego u uobičajenim poluvodičima s izravnim energetskim procijepom. Takva kombinacija mogla bi smanjiti dio gubitaka pri pretvaranju Sunčeve energije u električnu ili kemijsku.
Marcello Righetto i suradnici rezultate su objavili 28. listopada u časopisu Nature. Ispitivali su svojstva materijala, pa nalaz još ne predstavlja gotovu solarnu ćeliju s dokazanom većom učinkovitošću.
Zašto nakon upijanja svjetlosti nastaju gubici
Kada poluvodič upije svjetlost, elektron može prijeći u stanje u kojem lakše sudjeluje u provođenju struje. Iza njega ostaje šupljina, prazno mjesto koje se u materijalu ponaša kao pozitivan nositelj naboja.
Ako se elektron i šupljina ponovno spoje prije nego što ih uređaj iskoristi, nestaje njihov doprinos korisnoj struji. Taj se proces naziva rekombinacija. Električni naboj pritom se ne uništava, nego se gubi mogućnost da se energija pobuđenog para iskoristi na željeni način.
U mnogim poluvodičima snažna apsorpcija svjetlosti povezana je i s brzim obrnutim procesom. Materijal lako stvara pobuđene parove, ali ih lako i gubi rekombinacijom. Za solarne je uređaje zato važno pronaći način da upijanje ostane snažno, a rekombinacija sporija.
Dva bliska prijelaza u istom materijalu
Tim je proučavao bizmutov sulfid, spoj kemijske formule Bi₂S₃. Izradio je tanke filmove materijala i usporedio njihova optička i električna svojstva s računalnim izračunima elektronske strukture.
U središtu je nalaza razlika između izravnih i neizravnih energetskih prijelaza. Kod izravnog prijelaza elektron može upiti foton bez dodatne promjene količine gibanja uz pomoć kristalne rešetke. Neizravni prijelaz zahtijeva i sudjelovanje njezinih titranja, zbog čega je optički proces obično slabiji.
Bizmutov sulfid ima najniži prijelaz neizravnog tipa, a tek malo iznad njega nalazi se izravni prijelaz koji omogućuje snažno upijanje svjetlosti. Razlika u energiji iznosi samo nekoliko desetaka milielektronvolta. Zbog takve blizine materijal kombinira obilježja obaju tipova poluvodiča, pa ga autori nazivaju pseudoizravnim.
Nakon pobuđivanja nositelji naboja mogu se rasporediti među bliskim energetskim stanjima. To mijenja vjerojatnost njihova ponovnog spajanja, dok snažna apsorpcija ostaje očuvana. Tim je taj spoj svojstava provjerio mjerenjima na različitim temperaturama, a ne samo izračunom energetske strukture.
Put prema boljem materijalu, uz preostale prepreke
Istraživači su kombinirali mjerenja vodljivosti i svjetlosti koju pobuđeni uzorak emitira. Pratili su koliko dugo nositelji naboja ostaju prisutni nakon svjetlosnog impulsa i kako se njihovo ponašanje mijenja s temperaturom i jačinom pobuđivanja.
Rezultati pokazuju da se rekombinacija u bizmutovu sulfidu ne može jednostavno opisati kao u klasičnom izravnom ili neizravnom poluvodiču. Presudan je raspored nekoliko bliskih energetskih stanja i način na koji ih elektroni i šupljine zauzimaju.
To ipak ne uklanja sve gubitke. U ispitivanim tankim filmovima važnu ulogu imaju i defekti koji mogu zarobiti nositelje naboja. Za učinkovit uređaj trebalo bi ograničiti i taj proces te osigurati da se naboj može prikupiti i provesti do kontakata. Novi nalaz ponajprije pokazuje kakva bi elektronska struktura mogla pomoći da snažno upijanje svjetlosti ne mora pratiti jednako brza rekombinacija.
