O echipă de fizicieni de la Universitatea din Warwick, condusă de profesorul român Marin Alexe, a publicat un studiu științific în revista Journal Science prin care arată cum ar putea obține mai multă energie din celulele fotovoltaice prin deformarea fizică a fiecăruia dintre cristalele din semiconductori.
Lucrarea intitulată „Efectul Flexo-fotovoltaic” a fost scrisă de prof. Marin Alexe, Ming-Min Yang și Dong Jik Kim, membri ai Departamentului de Fizică al Universității din Warwick. Aceștia au analizat constrângerile fizice cu privire la designul actual al celor mai multe panouri solare comerciale, care au o eficiență limitată.
Cele mai multe celule solare sunt formate din două straturi care creează la granița lor o legătură între două tipuri de semiconductori: „tip p” – cu electroni încărcați pozitiv; respectiv „tip n”, cu electroni negativi. Când lumina este absorbită, joncțiunea celor doi semiconductori produce o rezistență care „desparte” cele două tipuri de electronic în direcții diferite, astfel creându-se un curent electric de un anumit voltaj de-a lungul joncțiunii. Fără astfel de joncțiuni, energia nu poate fi recoltată, iar electronii foto-excitați s-ar recombina foarte rapid, fără a mai produce niciun fel de electricitate.
Această joncțiune între cei doi semiconductori este, așadar, fundamentală pentru a obține energie dintr-o astfel de celulă solară, dar presupun și o eficiență limitată (de transformare a energiei solare în energie electrică). Denumită Limita Shockley-Queisser, aceasta presupune că eficiența ideală este limitată la doar 33,7%. Până acum, în domeniul comercial s-a depășit cu puțin limita de 20%, iar în condiții de laborator încă nu s-a atins 30%.
Există totuși un alt mod în care unele materiale pot colecta sarcinile produse de fotonii soarelui sau din altă parte. Efectul „bulk photovoltaic” are loc în anumite semiconductoare și izolatoare, unde lipsa lor de simetrie perfectă în jurul punctului lor central (structura lor non-centrosimetrică) permite generarea de tensiuni care pot fi, de fapt, mai mari decât decalajul de bandă al materialului respectiv
Acest decalaj de bandă reprezintă diferența între banda de valență cu cel mai mare interval de energii, în care electronii sunt în mod normal prezenți la temperatura zero absolut, respectiv banda de conducție unde electronii încep să „curgă”, producând astfel electricitate. Însă materialele despre care se știe că prezintă acest efect fotovoltaic anormal au o eficiență foarte scăzută de generare a curentului electric, nefiind folosite niciodată în sistemele practice de generare a energiei.
Echipa de la Warwick a analizat dacă ar fi posibil să ia semiconductorii care sunt eficienți în celulele solare comerciale și să îi manipuleze în așa fel încât să poată fi forțați într-o structură non-centrosimetrică, deci să beneficieze de acest efect „bulk photovoltaic”. Drept pentru care au decis să încerce modificarea fizică a unor astfel de semiconductori.
Au folost un „nano-indenter”, care se bazează pe forțele atomice conductive, pe care l-au folosit pentru a deforma cristalele individuale de titanat de stronțiu (SrTiO3), dioxid de titanium (TiO2) și siliciu (Si). Așa au descoperit că toate cele trei tipuri de cristale ar putea, după o astfel de deformare, să capete o structură non-centrosimetrică și că devin capabile de efectul „bulk photovoltaic”.
Profesorul Marin Alexe de la Universitatea din Warwick:
„Extinderea gamei de materiale care pot beneficia de efectul «bulk photovoltaic» are mai multe avantaje:
- nu este necesar să se formeze nici un fel de joncțiune;
- orice semiconductor cu o absorbție mai bună a luminii poate fi selectat pentru celulele solare;
- poate fi depășită limita termodinamică finală a eficienței de conversie a energiei, așa-numita Limită Shockley-Queisser.
Există provocări de inginerie, dar ar trebui să devină posibilă crearea de celule solare în care un câmp de extremități de silicon (o sută de milioane pe cm2) ar putea fi ținut în tensiune pentru a deforma suficient fiecare cristal semiconductor.
Dacă o astfel de tehnologie viitoare ar putea adăuga chiar și un singur punct procentual de eficiență, ar fi de o valoare comercială imensă pentru producătorii de panouri fotovoltaice și furnizorii de energie.“
