חוקרים מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי גילו מנגנון חדש שבאמצעותו תוצאה פוטו-וולטאית יכולה להתקבל בשכבות דקיקות של מוליך-למחצה
שיטה חדשנית להמרה של אנרגיית השמש לחשמל, שהתגלתה לאחרונה, תוכל להבהיר את עתידה של הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית. חוקרים מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי גילו מנגנון חדש שבאמצעותו תוצאה פוטו-וולטאית יכולה להתקבל בשכבות דקיקות של מוליך-למחצה. מסלול חדשני זה להפקת אנרגיה מתגבר על מגבלת פער-הפס במתח חשמלי, מגבלה הממשיכה להאט את הפיתוח של תאים סולאריים יעילים במצב מוצק.
במהלך עבודתם של החוקרים עם ביסמוט פריט (bismuth ferrite), חומר קראמי המורכב מביסמוט, ברזל וחמצן שהינו multiferroic, כלומר מציג בו-זמנית הן מאפיינים פרו-חשמליים (ferroelectric) והן מאפיינים פרו-מגנטיים (ferromagnetic) – הם גילו כי תוצאה פוטו-וולטאית יכולה להופיע באופן עצמאי ברמה הננומטרית בעקבות מבנהו הגבישי המסוים של החומר – רומבוהדראלי מעוות. בנוסף, הם הדגימו כי הפעלה של שדה חשמלי על החומר מאפשרת לחוקרים לשנות את המבנה הגבישי הזה ובכך לשלוט במאפייניו הפוטו-ולטאיים.
“אנו נרגשים למצוא תפקודיות שלא נצפתה בעבר ברמה הננומטרית בחומר multiferroic,” אמר Jan Seidel, חוקר הפיסיקה שערך את המחקר. “עתה אנו עובדים על ניצול רעיון זה עבור התקנים הקשורים למחקרי-אנרגיה גבוהת-יעילות.” ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology.
בליבם של תאים סולאריים מסוג מצב מוצק מצוי צומת p-n, הממשק שבין שכבת המוליך-למחצה המשופעת ב”חורים” טעונים חיובית (נישות שמהן הוצאו אלקטרונים), ושכבה המשופעת באלקטרונים טעונים שלילית. כאשר נקלטים פוטונים מקרינת השמש, האנרגיה הטמונה בהם יוצרת זוגות של אלקטרון-חור שיכולים להיפרד באזור שמכונה “אזור המחסור” ((“depletion zone”, מתחם מיקרוסקופי בצומת p-n שגודלו מספר מיקרומטרים בלבד, ואז להיאסף כחשמל. אולם, בכדי שתהליך זה יתרחש הפוטונים חייבים לחדור את החומר ולהגיע עד לאזור המחסור והאנרגיה שלהם צריכה להתאים בדיוק לאנרגיה של פער-הפס של המוליך-למחצה – מרווח האנרגיה שבין פס ההולכה לבין פס הערכיות.
“המתח המרבי שהתקנים פוטו-וולטאיים רגילים של מצב-מוצק מסוגלים להפיק שווה לאנרגיה של פער-הפס האלקטרוני שלהם,” מסביר החוקר. “אפילו עבור מה שקרוי תאים-טוריים, שבהם מספר צמתי p-n מוליכים למחצה מחוברים יחדיו, המתח עדיין מוגבל בשל עומק החדירה הסופי של אור לתוככי החומר.”
החוקרים גילו כי ע”י הקרנת אור לבן על ביסמוט פריט, חומר שהינו הן פרו-חשמלי והן אנטי-פרו-מגנטי, הם יכולים להפיק מתח פוטו-וולטאי מתוך מתחמים תת-מיקרוסקופיים שקוטרם בין אחד לשני ננומטרים. מתח זה היה גבוה משמעותית מפער-הפס האלקטרוני של החומר.
“אנרגיית פער-הפס של ביסמוט פריט שווה ל- 2.7 וולטים. מהמדידות שלנו אנו יודעים כי באמצעות המנגנון שגילינו אנו מסוגלים להפיק מתח של כ- 16 וולטים לאורך מרחק של 200 מיקרונים. יתרה מכך, מתח זה הוא בעיקרו יחסי באופן ישיר למרחק, כלומר – מרחקים גדולים יותר יוכלו להוביל לקבלת מתחים גבוהים יותר.”
מאחורי מנגנון חדיש זה להפקת מתח פוטו-וולטאי מצויים קירות תיחום – שכבות דו-מימדיות החוצות את החומר ומשמשות כאזורי מעבר המפרידים בין מתחמים שונים שבהם תכונות פרו-מגנטיות ופרו-חשמליות. במחקר שלהם, המדענים מצאו כי קירות תיחום אלו יכולים לשמש בדיוק לאותה המטרה שמשמשים אזורי המחסור עבור ההפרדה של חור-אלקטרון ובעלי יתרונות ייחודיים להם.
“המידות המאוד זעירות של קירות תיחום אלו מאפשרות לערום מספר רב שלהם במערך שכבתי, אחד לצד השני, כך שקרינת השמש עדיין מגיעה עד אליהם,” מסביר החוקר. “כתוצאה מכך, אפשר להגביר את הערכים הפוטו-וולטאיים הרבה מעל פער-הפס האלקטרוני של החומר.”
התוצאה הפוטו-וולטאית מתקבלת מכיוון שבקירות התיחום כיוון הקיטוב של ביסמוט פריט משתנה, עובדה המשפיעה על הפוטנציאל האלקטרוסטאטי. באמצעות טיפולי חישול של המצע עליו “גדל” הביסמוט פריט, הגבישים הרומבוהדראליים שלו ניתנים להשפעה כך שיפיקו קירות תיחום שמשנים את כיוון קיטוב השדה החשמלי ב: 71, 109 או 180 מעלות. החוקרים מדדו את המתח שהתקבל ע”י שינוי ב- 71 ו- 109 מעלות.
החוקרים הצליחו גם להשתמש בפעימה חשמלית במתח של 200 וולטים כדי להפוך את הקיטוביות של התוצאה הפוטו-וולטאית או אפילו לבטלה לחלוטין. מעולם לא דווחה יכולת שליטה שכזו בתוצאה הפוטו-וולטאית עבור מערכות פוטו-וולטאיות רגילות, ויכולת זו סוללת את הדרך לפיתוח יישומים חדשים בתחומי הננו-אופטיקה והננו-אלקטרוניקה.
“למרות שעדיין לא הדגמנו את היישומים וההתקנים החדשים האפשריים הללו, אנו מאמינים כי המחקר שלנו יקדם רעיונות ומחשבות המבוססים על כיוון חדש זה של תוצאה פוטו-וולטאית,” מוסיף החוקר הראשי.
