p (PhysOrg.com) - Os pesquisadores do Berkeley Lab descobriram um novo mecanismo pelo qual o efeito fotovoltaico pode ocorrer em filmes finos de semicondutores. Este novo caminho para a produção de energia ilumina o futuro da tecnologia fotovoltaica ao superar as limitações de tensão que afetam as células solares de estado sólido convencionais. p Um caminho recém-descoberto para a conversão da luz solar em eletricidade pode iluminar o futuro da tecnologia fotovoltaica. Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) descobriram um novo mecanismo pelo qual o efeito fotovoltaico pode ocorrer em filmes finos de semicondutores. Essa nova rota para a produção de energia supera a limitação de tensão do bandgap que continua a atormentar as células solares de estado sólido convencionais.

p Trabalhando com ferrita de bismuto, uma cerâmica feita de bismuto, ferro e oxigênio que é multiferróico - o que significa que exibe simultaneamente propriedades ferroelétricas e ferromagnéticas - os pesquisadores descobriram que o efeito fotovoltaico pode surgir espontaneamente em nanoescala como resultado da estrutura cristalina romboédrica distorcida da cerâmica. Além disso, eles demonstraram que a aplicação de um campo elétrico permite manipular essa estrutura cristalina e, assim, controlar as propriedades fotovoltaicas.

p “Estamos entusiasmados em encontrar uma funcionalidade que não foi vista antes em nanoescala em um material multiferróico, ”Disse Jan Seidel, um físico que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e com o Departamento de Física da UC Berkeley. “Agora estamos trabalhando para transferir este conceito para dispositivos relacionados à pesquisa de energia de maior eficiência.”

p Seidel é um dos principais autores de um artigo publicado na revista Nature Nanotechnology que descreve este trabalho intitulado, “Voltagens acima do intervalo de banda de dispositivos fotovoltaicos ferroelétricos.” Os coautores deste artigo com Seidel foram Seung-Yeul Yang, Steven Byrnes, Padraic Shafer, Chan-Ho Yang, Marta Rossell, Pu Yu, Ying-Hao Chu, James Scott, Joel Ager, Lane Martin e Ramamoorthy Ramesh.

p No coração das células solares de estado sólido convencionais está uma junção p-n, a interface entre uma camada semicondutora com uma abundância de "orifícios carregados positivamente, ”E uma camada com abundância de elétrons carregados negativamente. Quando os fótons do sol são absorvidos, sua energia cria pares de elétron-buraco que podem ser separados dentro de uma "zona de depleção, ”Uma região microscópica na junção p-n medindo apenas alguns micrômetros de diâmetro, então coletado como eletricidade. Para que este processo ocorra, Contudo, os fótons têm que penetrar no material até a zona de depleção e sua energia tem que corresponder precisamente à energia do intervalo eletrônico do semicondutor - o intervalo entre suas bandas de valência e de energia de condução onde nenhum estado de elétron pode existir.

p “A tensão máxima que os dispositivos fotovoltaicos de estado sólido convencionais podem produzir é igual à energia de seu bandgap eletrônico, ”Seidel diz. “Mesmo para as chamadas células tandem, em que várias junções p-n de semicondutores são empilhadas, as fotovoltagens ainda são limitadas por causa da profundidade de penetração finita da luz no material. ”

p Trabalhando através do Centro de Pesquisa de Energia Solar Helios do Berkeley Lab, Seidel e seus colaboradores descobriram que, ao aplicar luz branca à ferrita de bismuto, um material que é ferroelétrico e antiferromagnético, eles poderiam gerar fotovoltagens em áreas submicroscópicas entre um e dois nanômetros de diâmetro. Essas fotovoltagens eram significativamente mais altas do que o bandgap eletrônico da ferrita de bismuto.

p “A energia do bandgap da ferrita de bismuto é equivalente a 2,7 volts. A partir de nossas medições, sabemos que, com nosso mecanismo, podemos obter aproximadamente 16 volts a uma distância de 200 mícrons. Além disso, esta tensão é, em princípio, linear escalável, o que significa que distâncias maiores devem levar a tensões mais altas. ”

p Por trás desse novo mecanismo de geração de fotovoltagem estão as paredes de domínio - folhas bidimensionais que percorrem um multiferróico e servem como zonas de transição, separar regiões de diferentes propriedades ferromagnéticas ou ferroelétricas. Em seu estudo, Seidel e seus colaboradores descobriram que essas paredes de domínio podem servir ao mesmo propósito de separação elétron-buraco que as zonas de depleção, apenas com vantagens distintas.

p “A escala muito menor dessas paredes de domínio permite que muitas delas sejam empilhadas lateralmente (lateralmente) e ainda sejam alcançadas pela luz, ”Seidel diz. “Isso, por sua vez, torna possível aumentar os valores de fotovoltagem bem acima do bandgap eletrônico do material.”

p O efeito fotovoltaico surge porque nas paredes do domínio a direção de polarização da ferrita de bismuto muda, o que leva a etapas no potencial eletrostático. Por meio de tratamentos de recozimento do substrato sobre o qual a ferrita de bismuto é cultivada, os cristais romboédricos do material podem ser induzidos a formar paredes de domínio que mudam a direção da polarização do campo elétrico por 71, 109 ou 180 graus. Seidel e seus colaboradores mediram as fotovoltagens criadas pelas paredes de domínio de 71 e 109 graus.

p “As paredes do domínio de 71 graus mostraram alinhamento de polarização no plano unidirecional e produziram uma série alinhada de etapas de tensão potencial, ”Seidel diz. “Embora o passo potencial no domínio de 109 graus fosse maior do que no domínio de 71 graus, mostrava duas variantes da polarização no plano que funcionava em direções opostas. ”

p Seidel e seus colegas também puderam usar um pulso elétrico de 200 volts para inverter a polaridade do efeito fotovoltaico ou desligá-lo completamente. Tal controlabilidade do efeito fotovoltaico nunca foi relatada em sistemas fotovoltaicos convencionais, e abre o caminho para novas aplicações em nano-óptica e nanoeletrônica.

p “Embora ainda não tenhamos demonstrado esses possíveis novos aplicativos e dispositivos, acreditamos que nossas pesquisas vão estimular conceitos e reflexões que se baseiam nesta nova direção para o efeito fotovoltaico, ”Seidel diz.