Tutkijat valottivat valosähkön tuotantoa

UC Riversiden tutkijat ovat esitelleet tehokkaan uuden kuvantamistekniikan, joka paljastaa, kuinka aurinkopaneeleissa ja valoantureissa käytetyt huipputekniset materiaalit muuntavat valon sähköksi – tarjoten polun parempiin, nopeampiin ja tehokkaampiin laitteisiin.

Saavutettu läpimurto voi johtaa parannuksiin aurinkoenergiajärjestelmissä ja optisessa viestintäteknologiassa.

UCR:n apulaisprofessorien Ming Liun ja Ruoxue Yanin johtama tutkimusryhmä kehitti kolmiulotteisen kuvantamismenetelmän, joka erottaa toisistaan kaksi perustavanlaatuista prosessia, joissa valo muuttuu sähkövirraksi kvanttimateriaaleissa.

Tunnetuin prosessi on valosähköinen eli PV-ilmiö, jossa valosta tulevat fotonit irrottavat elektroneja puolijohteesta, mikä luo sähkövirran, joka kerääntyy elektrodikontakteihin ja tuottaa sähköä.

Toinen prosessi, jota kutsutaan fototermoelektriseksi eli PTE-ilmiöksi, on vähemmän tunnettu, mutta yhtä tärkeä – erityisesti pienimuotoisissa laitteissa. PTE:ssä, kun valoenergia lämmittää materiaalin elektroneja, jolloin ne ovat "kuumempia" kuin ympäristönsä. Sitten nämä energisoituneet elektronit liikkuvat luonnollisesti kohti viileämpiä alueita ja tuottavat sähkövirtaa virratessaan. Nämä elektronit pyrkivät liikkumaan pois niille kertyneistä alueista elektrodin lähellä, suoraan aurinkosähköilmiötä vastaan.

”Ennen tätä tiesimme molempien vaikutusten tapahtuvan, mutta emme kyenneet näkemään, kuinka paljon kukin vaikutti ja miten ne jakautuivat alueellisesti”, Liu sanoi. ”Uuden tekniikkamme avulla voimme vihdoin erottaa ne toisistaan ja ymmärtää, miten ne toimivat yhdessä. Se avaa uusia tapoja suunnitella parempia laitteita.”

Tiimi keskittyi nanorakenteisiin, jotka on valmistettu molybdeenidisulfidista eli MoS₂:sta yhdistettynä kultaelektrodeihin.

Heidän löydöksensä yllätti heidät: Vaikka aurinkosähkövaikutus oli odotettavissa kullan ja MoS₂:n liitoskohdassa, PTE-vaikutus ulottui paljon pidemmälle materiaaliin kuin aiemmin on ajateltu.

”Tämä on vastoin yleistä käsitystä”, lisäsi tohtoriopiskelija Yaodong Xu. ”Se osoittaa, että lämmön aiheuttamat vaikutukset voivat vaikuttaa sähköntuottoon paljon laajemmilla alueilla, jopa metallikontaktin ulkopuolella.”

Tiimi havaitsi myös, että lisäämällä ohuen kerroksen kuusikulmaista boorinitridiä eli h-BN:ää MoS₂:n päälle he pystyivät ohjaamaan lämpöä sivusuunnassa materiaalin läpi. Tämä uudelleen suunnattu lämmönvirtaus tehosti PTE-ilmiötä yhdenmukaistamalla lämpötilan muutokset materiaalin lämpövasteen vaihteluiden kanssa – mikä olennaisesti tehosti virrantuotantoa.

”Normaalisti lämmön pitäisi pysyä paikallisena”, Xu sanoi. ”Mutta tässä tapauksessa sen levittäminen itse asiassa auttoi.”

"Ajatus siitä, että voimme hienosäätää valoilmaisimen suorituskykyä lämmönvirtauksen avulla, on todella jännittävä", Liu sanoi.

”Alamme vasta selvittää, miten valo, lämpö ja sähkö vaikuttavat toisiinsa näissä ainutlaatuisissa materiaaleissa”, Liu sanoi. ”Löydettävää on vielä paljon.”

Aiheesta aiemmin:

Valosähköisen rajan ylittäen

Tehokkaampaa aurinkosähkön keruuta

Antennin symmetrian rikkova keksintö