Onderzoekers observeren een verbeterd bulk fotovoltaïsch effect in 2D ferro-elektrisch materiaal

Bulk fotovoltaïsch effect (BPVE) wordt veel gebruikt bij het opwekken van elektriciteit. Als een proces van energieoverdracht van fotonen naar elektronen en van spanningsvorming binnen ferro-elektrisch materiaal, werkt BPVE als een dam, waarbij “water” (spanning) wordt opgewekt om “vermogen” (elektrische stromen) te genereren. Onderzoekers hebben in eerdere onderzoeken een hoge fotospanning gerealiseerd die de theoretische Shockley-Queisser (SQ) -limiet overschrijdt, maar de dichtheid van de fotostroom die met conventionele methoden wordt gegenereerd, blijft relatief laag.

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie, realiseerde een onderzoeksteam onder leiding van prof. Zeng Hualing en prof. Gong Ming van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen een opmerkelijke fotostroomdichtheid in een tweedimensionaal (2D) materiaal CuInP₂S₆ (CIPS) met gelaagde van der Waals (vdW) structuur. Ze bereikten meetbare controle over de grootte van BPVE onder de conditie van het aangelegde elektrische veld, het invallende lichtveld en het temperatuurveld.

Op basis van kenmerken van de atomaire dikte van gelaagd ferro-elektrisch materiaal en de zwakke vdW-kracht tussen lagen, construeerden onderzoekers een verticale structuur door grafeen te combineren met een paar lagen CIPS. Op deze manier bereikten ze een hoge dichtheid van fotostroom zonder toegepaste bias, waardoor de meetbare controle over de grootte van BPVE werd gerealiseerd. Bovendien hebben onderzoekers door de regulering en controle van fotostromen geverifieerd dat tweedimensionale ferro-elektrische polarisatie het belangrijkste fysieke mechanisme is van verbeterde BPVE.

Bovendien hebben onderzoekers, door de dikte van tweedimensionale ferro-elektrische lagen te veranderen, de dimensionale overgang van BPVE duidelijk aangetoond. En ze ontdekten dat de prestaties van 2D-fotovoltaïsche energie tussen de 1D- en 3D-bulkfotovoltaïsche energie in vielen, wat aangeeft dat de dimensionaliteit van het apparaat een van de belangrijkste factoren was bij de ontwikkeling van zeer efficiënte op BPVE gebaseerde fotovoltaïsche systemen.

De bevindingen benadrukken het potentieel van ultradunne 2D-ferro-elektriciteit voor het ontwikkelen van zonnecellen van de derde generatie met een hoog rendement dat de fundamentele SQ-limiet overschrijdt.