Valosähköisen rajan ylittäen

Aurinkokennojen suunnittelijat voinevat pian nostaa tavoitteitaan korkeammalle, sillä kansainvälisen tutkijaryhmän löytö on paljastanut luokan materiaaleja, jotka voisivat olla parempia muuntamaan auringonvaloa energiaksi kuin tällä hetkellä aurinkopaneeleissa käytettävät.

Tutkimus osoittaa, kuinka ferrosähköistä eristemateriaalia voidaan käyttää keräämään tehoa pienestä osasta auringonvalon spektriä muuntohyötysuhteella joka ylittää teoreettisen maksimin eli Shockley-Queisserin rajan.

Tämä havainto liittyy lähes puolen vuosisataan vanhaan venäläisen fyysikko Vladimir M. Fridkinin havaintoon. Hän on vieraileva fysiikan professori Drexel yliopistossa ja tunnetaan myös yhtenä kopiokoneen innovaattorina.

Tutkimustyö selvitti miten bariumtitanaattikidettä käyttäen pystyy muuntamaan auringonvaloa sähkötehoksi paljon tehokkaammin kuin Shockley-Queisser raja sanelee tällaisille materiaaleille.

Uusien havaintojen perusta on Fridkinin vanha havainto fyysisestä nykymenetelmästä eroavasta mekanismista muuntaa valoa sähköenergiaksi. Tämä uusvanha Bulk photovoltaic effect –mekanismi perustuu valon virittämien kuumien elektronien keräämiseen niiden kuljettaessa ylimääräistä energiaa aurinkosähkömateriaalissa ennen kuin ne menettävät energiansa.

Puolijohteiden kaistaeroon perustuvissa aurinkosähkömateriaaleissa kaikkea käytettävissä olevaa auringon spektriä ei saada muunnetuksi sähköenergiaksi. Ja lisäksi osa virittyneistä elektroneista hukkaa ylimääräisen energiansa lämpönä.

Nämä rajoitukset eivät olekaan universaaleja, mikä tarkoittaa, että aurinkokennoja voidaan parantaa. Fridkin on selvittänyt, kuinka löytämänsä valosähköinen vaikutus, joka on hyvin heikko, liittyy valogeneroituvien kuumien elektronien kuljetukseen tiettyyn suuntaan ilman törmäyksiä, jotka johtavat elektronien jäähtymiseen.

Shockley-Queisser rajan teoria perustuu oletukseen, että kaikki ylimääräinen energia menetetään hukkalämpönä. Mutta ryhmän löytö osoittaa, että kaikkea kuumien elektronien ylimääräistä energiaa ei menetetä, ja että energia voidaan itse asiassa purkaa tehoksi ennen termalisoitumista.

Bariumtitanaatti absorboi vähemmän kuin kymmenesosa auringon spektristä. Mutta rakenne muuntaa tehoa 50 prosenttia paremmin kuin tavanomaisen aurinkokennon teoreettinen raja, joka on rakennettu vastaavilla energiaeroilla varustetusta materiaalista.