Et materiale, der suger lys effektivt til sig, kan samtidig være hurtigt til at miste de elektriske ladninger, lyset skaber. Nu viser et forskerhold ledet fra Oxford, at bismuthsulfid kan kombinere stærk lysabsorption med en langsommere genforening af elektroner og huller. Resultatet er offentliggjort den 28. oktober i Nature.

Arbejdet peger på en mulighed for at forbedre materialer til udnyttelse af solenergi. Det dokumenterer en mekanisme i tynde halvlederfilm og giver et princip for videre materialedesign. Forskerne fremlægger ikke en færdig solcelle med en ny rekordvirkningsgrad.

Lyset skal ende som brugbar strøm

En solcelle indeholder en halvleder, som optager energi fra sollys og overfører den til elektroner. Strømmen hentes ud gennem elektriske kontakter. Som det amerikanske energiministerium forklarer i sin introduktion til solceller, er virkningsgraden forholdet mellem den elektriske effekt, cellen leverer, og den indkommende lyseffekt.

Der er derfor mere end én opgave i at bygge en god solcelle. Materialet skal opsamle lyset, men den optagne energi skal også kunne nå frem til kontakterne. Når en elektron falder tilbage og genforenes med et hul, forsvinder muligheden for at hente netop dette ladningspar ud som strøm.

Man kan sammenligne det med at fylde en beholder, mens noget af indholdet samtidig løber væk. En stor tilførsel er værdifuld, men fortæller ikke alene, hvor meget man til sidst kan bruge. I halvlederen er udfordringen at give ladningerne gode betingelser hele vejen fra lysoptagelse til udtræk.

To nærliggende veje i samme materiale

Studiet er udført af blandt andre Marcello Righetto, Debalina Banerjee og Laura M. Herz. Holdet undersøger bismuthsulfid, Bi₂S₃, med en kombination af målinger og beregninger af materialets elektroniske struktur. Forskerne beskriver det som en pseudo-direkte halvleder: En stærk, direkte overgang ligger tæt over en svagere, indirekte overgang i energi.

Oxford forklarer i sin meddelelse, at ladninger kan opholde sig i de lidt lavere energitilstande, som fungerer som et midlertidigt reservoir. Det bremser det samlede tab, samtidig med at materialet kan optage lys gennem den stærke overgang. Forskerne brugte meget korte laserpulser og målte ladningernes udvikling med blandt andet ultrahurtig terahertz-spektroskopi.

Temperaturen var et vigtigt spor. Målingerne omfattede både stuetemperatur og temperaturer tæt ved det absolutte nulpunkt. Ved afkøling blev genforeningen langsommere, i overensstemmelse med forklaringen om fordelingen mellem de nærliggende tilstande. Dermed kunne forskerne sammenholde et konkret eksperiment med den beregnede mekanisme.

Et stort tal med en præcis betydning

For en energiforskel på omkring 40 millielektronvolt beregner holdet en undertrykkelse af den bimolekylære rekombinationsrate på cirka 75 procent ved stuetemperatur. Tallet gælder denne tabsproces i modellens sammenligning. Det betyder hverken 75 procent mere strøm fra et solpanel eller en solcellevirkningsgrad på 75 procent.

Forskellen er afgørende, fordi en tabsrate kun er én del af regnskabet. Den færdige konstruktion skal også håndtere andre tab og få ladningerne effektivt ud. En forbedring i et materiale kan derfor være forskningsmæssigt betydningsfuld uden at kunne oversættes direkte til et tilsvarende spring i et panels strømproduktion.

Resultatet bør derfor vurderes på det, eksperimentet faktisk undersøger: samspillet mellem lysoptagelse og ladningers forsvinden. Et senere forsøg med en komplet celle vil skulle måle den elektriske ydelse direkte, før en praktisk gevinst kan fastslås.

Fra materialefysik til solceller

Den etablerede solcelleteknologi illustrerer, hvor mange hensyn der skal mødes. Energiministeriet beskriver siliciums kombination af effektivitet, pris og levetid, mens andre tyndfilmsteknologier har deres egne udfordringer med produktion og holdbarhed. Et lovende elektronisk særtræk skal fungere sammen med disse praktiske krav.

Oxford-holdet fremhæver også muligheden for på længere sigt at bruge længerelevende ladninger i reaktioner, der omdanner solenergi til brændstoffer. Næste forskningsopgave er at finde og udvikle materialer med tilsvarende fordelagtige egenskaber og omsætte mekanismen til fungerende teknologi. Dagens resultat gør den søgning mere målrettet ved at vise, hvilken elektronisk struktur forskerne kan lede efter.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.