MLU: фотоэлектрический эффект сегнетоэлектрических кристаллов может быть увеличен многократно

Фотоэлектрический эффект сегнетоэлектрических кристаллов можно увеличить в тысячу раз, если в решётке периодически размещаются три разных материала. Такое заключение по результатам своих исследований сделали ученые из университета Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). Они создали кристаллические слои титаната бария, титаната стронция и титаната кальция. После этого они размещали их друг на друга. Как считают учёные, полученные результаты помогут увеличить эффективность солнечных элементов. Результаты своих исследований они опубликовали в журнале Science Advances.

Изображение: Википедия

Как говорит доктор Акаш Бхатнагар (Akash Bhatnagar) из центра инновационной компетенции SiLi-nano MLU, сегнетоэлектрики имеют пространственноразделённые положительные и отрицательные частицы. Такое разделение обеспечивает ассиметричную структуру, позволяющую преобразовывать солнечный свет в электричество. В отличие от кремниевых кристаллов сегнетоэлектрикам не требуется pn-переход для обеспечения фотоэлектрического эффекта. На практике это означает отсутствие необходимости положительно и отрицательно заряженных слоёв, что существенно упрощает производство солнечных панелей.

Естественно, что у этих материалов есть свои проблемы. В частности, титанат бария поглощает малое количество солнечного света и обеспечивает низкий ток. Проведённые исследования в MLU показывают, что сочетание тонких слоев различных материалах позволяет существенно увеличить преобразование солнечной энергии в ток. Акаш Бхатнагар говорит, что важный момент заключается в чередовании сегнетоэлектрического и параэлектрического материала. Последний не имеет разделённых зарядов, но при определенных условиях он может становиться сегнетоэлектриком. Это может происходить при изменении химической структуры материала или низких температурах, говорит Бхатнагар.

Группе Бхатнагара удалось обнаружить, что происходит существенное усиление фотоэлектрического эффекта при чередовании сегнетоэлектрического слоя не только с одним, но и с двумя разными параэлектрическими слоями. Один из авторов исследования аспирант MLU Есеуль Юн (Yeseul Yun) поясняет, что они ввели слой титаната бария между титанатом стронция и титанатом кальция. Это операция была выполнена с использованием мощного лазера, который испаряет кристаллы и затем осаждает их на несущую подложку. Таким способом им удалось получить материал, состоящий из 500 слоев толщиной 200 нм.

При проведении фотоэлектрических замеров новый материал обучался светом лазера. По сравнению с чистым титанатом бария такой же толщины, ток в этом случае был в тысячу раз больше. При этом исследователи отмечают, что доля основного фотоэлектрического компонента титаната бария в многослойном материале была  уменьшена практически на две трети.

Акаш Бхатнагар объясняет этот результат тем, что взаимодействие между слоями решётки приводит к более высокой диэлектрической проницаемости. То есть, электроны начинают двигаться намного быстрее при возбуждении световыми фотонами. В ходе исследований ученым удалось показать высокую устойчивость этого эффекта. Он сохранялся на протяжении шести месяцев.

Бхатнагар говорят, что это было лишь первый этап и требуется проведение дальнейших исследований для выяснения природы этого фотоэлектрического эффекта. Он уверен, что новая концепция имеет огромный потенциал для практического применения при производстве солнечных батарей. Структура из нескольких слоев различных материалов демонстрирует более высокий ток во всех температурных диапазонах по сравнению с чистыми сегнетоэлектриками. Кристаллы могут использоваться длительное время и не требуют какой-то специальной упаковки.