Di Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg techxplore.com

L'effetto fotovoltaico dei cristalli ferroelettrici può essere aumentato di un fattore 1.000 se tre materiali diversi sono disposti periodicamente in un reticolo. Questo è stato rivelato in uno studio dei ricercatori della Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). Hanno ottenuto questo risultato creando strati cristallini di titanato di bario, titanato di stronzio e titanato di calcio che hanno messo alternativamente uno sopra l'altro. I loro risultati, che potrebbero aumentare significativamente l'efficienza delle celle solari, sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.

La maggior parte delle celle solari sono attualmente basate sul silicio, ma la loro efficienza è limitata. Questo ha spinto i ricercatori a esaminare nuovi materiali, come i ferroelettrici come il titanato di bario, un ossido misto di bario e titanio. "Ferroelettrico significa che il materiale ha cariche positive e negative separate nello spazio", spiega il fisico Dr Akash Bhatnagar del Centro di competenza per l'innovazione SiLi-nano della MLU. "La separazione delle cariche porta ad una struttura asimmetrica che permette di generare elettricità dalla luce". A differenza del silicio, i cristalli ferroelettrici non richiedono una cosiddetta giunzione pn per creare l'effetto fotovoltaico, in altre parole, nessun strato drogato positivamente e negativamente. Questo rende molto più facile produrre i pannelli solari.

Tuttavia, il titanato di bario puro non assorbe molta luce solare e di conseguenza genera una fotocorrente relativamente bassa. L'ultima ricerca ha dimostrato che la combinazione di strati estremamente sottili di materiali diversi aumenta significativamente la resa di energia solare. "La cosa importante qui è che un materiale ferroelettrico viene alternato con un materiale paraelettrico. Anche se quest'ultimo non ha cariche separate, può diventare ferroelettrico in certe condizioni, per esempio a basse temperature o quando la sua struttura chimica è leggermente modificata", spiega Bhatnagar.

Il gruppo di ricerca di Bhatnagar ha scoperto che l'effetto fotovoltaico aumenta notevolmente se lo strato ferroelettrico si alterna non solo con uno, ma con due diversi strati paraelettrici. Yeseul Yun, uno studente di dottorato alla MLU e primo autore dello studio, spiega: "Abbiamo incorporato il titanato di bario tra il titanato di stronzio e il titanato di calcio. Questo è stato ottenuto vaporizzando i cristalli con un laser ad alta potenza e ridepositandoli su substrati portanti. Questo ha prodotto un materiale composto da 500 strati di circa 200 nanometri di spessore".

Nel condurre le misure fotoelettriche, il nuovo materiale è stato irradiato con luce laser. Il risultato ha sorpreso persino il gruppo di ricerca: rispetto al titanato di bario puro di spessore simile, il flusso di corrente era fino a 1.000 volte più forte - e questo nonostante il fatto che la proporzione di titanato di bario come principale componente fotoelettrico fosse ridotta di quasi due terzi. "L'interazione tra gli strati del reticolo sembra portare a una permittività molto più alta - in altre parole, gli elettroni sono in grado di scorrere molto più facilmente grazie all'eccitazione dei fotoni della luce", spiega Akash Bhatnagar. Le misurazioni hanno anche mostrato che questo effetto è molto robusto: è rimasto quasi costante per un periodo di sei mesi.

Ora bisogna fare ulteriori ricerche per scoprire esattamente cosa causa l'eccezionale effetto fotoelettrico. Bhatnagar è fiducioso che il potenziale dimostrato dal nuovo concetto possa essere utilizzato per applicazioni pratiche nei pannelli solari. "La struttura a strati mostra un rendimento più elevato in tutte le gamme di temperatura rispetto ai ferroelettrici puri. I cristalli sono anche significativamente più durevoli e non richiedono un imballaggio speciale".