(PhysOrg.com) - Los investigadores de Berkeley Lab han encontrado un nuevo mecanismo por el cual el efecto fotovoltaico puede tener lugar en películas delgadas de semiconductores. Este nuevo camino hacia la producción de energía ilumina el futuro de la tecnología fotovoltaica al superar las limitaciones de voltaje que afectan a las células solares de estado sólido convencionales.

Un camino recientemente descubierto para la conversión de la luz solar en electricidad podría iluminar el futuro de la tecnología fotovoltaica. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han encontrado un nuevo mecanismo por el cual el efecto fotovoltaico puede tener lugar en películas delgadas de semiconductores. Esta nueva ruta hacia la producción de energía supera la limitación de voltaje de banda prohibida que continúa afectando a las células solares de estado sólido convencionales.

Trabajando con ferrita de bismuto, una cerámica de bismuto, hierro y oxígeno que es multiferroico, lo que significa que muestra simultáneamente propiedades ferroeléctricas y ferromagnéticas, los investigadores descubrieron que el efecto fotovoltaico puede surgir espontáneamente en la nanoescala como resultado de la estructura cristalina romboédricamente distorsionada de la cerámica. Es más, demostraron que la aplicación de un campo eléctrico permite manipular esta estructura cristalina y así controlar las propiedades fotovoltaicas.

"Estamos entusiasmados de encontrar una funcionalidad que no se ha visto antes a nanoescala en un material multiferroico, ”Dijo Jan Seidel, un físico que tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Física de UC Berkeley. "Ahora estamos trabajando para transferir este concepto a dispositivos relacionados con la investigación energética de mayor eficiencia".

Seidel es uno de los autores principales de un artículo de la revista. Nanotecnología de la naturaleza que describe este trabajo titulado, "Voltajes por encima de la banda prohibida de dispositivos fotovoltaicos ferroeléctricos". Los coautores de este artículo con Seidel fueron Seung-Yeul Yang, Steven Byrnes, Padraic Shafer, Chan-Ho Yang, Marta Rossell, Pu Yu, Ying-Hao Chu, James Scott, Joel Ager, Lane Martin y Ramamoorthy Ramesh.

En el corazón de las células solares de estado sólido convencionales se encuentra una unión p-n, la interfaz entre una capa semiconductora con una gran cantidad de "agujeros cargados positivamente, ”Y una capa con abundancia de electrones cargados negativamente. Cuando se absorben los fotones del sol, su energía crea pares de agujeros de electrones que se pueden separar dentro de una "zona de agotamiento, ”Una región microscópica en la unión p-n que mide solo un par de micrómetros de ancho, luego se recoge como electricidad. Para que este proceso tenga lugar, sin embargo, los fotones tienen que penetrar el material hasta la zona de agotamiento y su energía tiene que coincidir con precisión con la energía de la banda prohibida electrónica del semiconductor, la brecha entre su valencia y las bandas de energía de conducción donde no pueden existir estados de electrones.

“El voltaje máximo que pueden producir los dispositivos fotovoltaicos de estado sólido convencionales es igual a la energía de su banda prohibida electrónica, ”Dice Seidel. "Incluso para las llamadas celdas en tándem, en el que se apilan varias uniones p-n de semiconductores, los fotovoltajes todavía son limitados debido a la profundidad de penetración finita de la luz en el material ".

Trabajando a través del Centro de Investigación de Energía Solar Helios de Berkeley Lab, Seidel y sus colaboradores descubrieron que al aplicar luz blanca a la ferrita de bismuto, un material ferroeléctrico y antiferromagnético, podrían generar fotovoltajes dentro de áreas submicroscópicas de entre uno y dos nanómetros de diámetro. Estos fotovoltajes eran significativamente más altos que la banda prohibida electrónica de la ferrita de bismuto.

“La energía de banda prohibida de la ferrita de bismuto es equivalente a 2,7 voltios. Por nuestras mediciones sabemos que con nuestro mecanismo podemos obtener aproximadamente 16 voltios en una distancia de 200 micrones. Es más, este voltaje es, en principio, lineal escalable, lo que significa que distancias más grandes deberían conducir a voltajes más altos ".

Detrás de este nuevo mecanismo para la generación de fotovoltaje hay paredes de dominio:láminas bidimensionales que atraviesan un multiferroico y sirven como zonas de transición. separando regiones de diferentes propiedades ferromagnéticas o ferroeléctricas. En su estudio, Seidel y sus colaboradores descubrieron que estas paredes de dominio pueden servir para el mismo propósito de separación de huecos de electrones que las zonas de agotamiento solo con distintas ventajas.

“La escala mucho menor de estos muros de dominio permite que muchos de ellos se apilen lateralmente (de lado) y aún así se pueda alcanzar con la luz, ”Dice Seidel. "Esto, a su vez, hace posible aumentar los valores de fotovoltaje muy por encima de la banda prohibida electrónica del material".

El efecto fotovoltaico surge porque en las paredes del dominio cambia la dirección de polarización de la ferrita de bismuto, lo que conduce a escalones en el potencial electrostático. Mediante tratamientos de recocido del sustrato sobre el que se cultiva la ferrita de bismuto, Los cristales romboédricos del material pueden inducirse a formar paredes de dominio que cambian la dirección de la polarización del campo eléctrico en 71, 109 o 180 grados. Seidel y sus colaboradores midieron los fotovoltajes creados por las paredes de dominio de 71 y 109 grados.

“Las paredes de dominio de 71 grados mostraron una alineación de polarización en el plano unidireccional y produjeron una serie alineada de pasos de voltaje potencial, ”Dice Seidel. “Aunque el paso potencial en el dominio de 109 grados fue mayor que el dominio de 71 grados, mostró dos variantes de la polarización en el plano que corría en direcciones opuestas ".

Seidel y sus colegas también pudieron usar un pulso eléctrico de 200 voltios para invertir la polaridad del efecto fotovoltaico o apagarlo por completo. Tal controlabilidad del efecto fotovoltaico nunca ha sido reportada en sistemas fotovoltaicos convencionales, y allana el camino para nuevas aplicaciones en nanoóptica y nanoelectrónica.

“Si bien aún no hemos demostrado estas posibles aplicaciones y dispositivos nuevos, Creemos que nuestra investigación estimulará conceptos y pensamientos que se basan en esta nueva dirección para el efecto fotovoltaico, ”Dice Seidel.