Noul studiu al unui profesor român ar putea stoarce, la propriu, mai multă energie din panourile solare

Reprezentare artistică a deformării creată de ilustratorul științific Mark Garlick.

Fizicienii de la Universitatea Warwick, conduși de profesorul de origine română Marin Alexe, au publicat în jurnalul Science (în paginile First Release) un nou studiu care promite să stoarcă, la propriu, mai multă energie din panourile solare, prin deformarea fizică a fiecărui cristal din semiconductorii folosiți în celulele fotovoltaice.

Lucrarea, cu titlul „Efectul flexo-fotovoltaic”, a fost scrisă de profesorii Marin Alexe, Ming-Min Yang și Dong Jik Kim, cu toții de la Catedra de Fizică a Universității Warwick.

Cercetătorii de la Warwick au analizat solicitările fizice la care este supus modelul actual al celor mai multe celule fotovoltaice comerciale și care le impune o limită absolută a eficienței. Majoritatea acestora se compun din două straturi a căror suprafață asigură joncțiunea între două tipuri de semiconductori: tipul p, cu purtători de sarcină pozitivă (goluri care pot fi ocupate de electroni) și tipul n, cu purtători de sarcină negativă (electroni). Când se absoarbe lumina, joncțiunea celor doi semiconductori susține un câmp intern și împarte purtătorii de sarcină excitați de fotoni în direcții opuse, generând curent și tensiune prin joncțiune. Fără astfel de joncțiuni, nu am putea exploata energia, iar purtătorii excitați de fotoni s-ar recombina rapid, eliminând orice sarcină electrică.

Joncțiunea dintre doi semiconductori este esențială pentru obținerea de energie din astfel de celule fotovoltaice, dar are o limită maximă de eficiență, numită limita Shockley-Queisser. Ca urmare, din toată energia luminii solare care cade pe o celulă fotovoltaică ideală în condiții ideale, nu se poate transforma în electricitate decât maxim 33.7%.

Prof. Marin Alexe de la Universitatea Warwick. Foto: Sven Döring

Dar unele materiale pot colecta sarcini produse de fotoni solari, sau din altă sursă, și prin alte metode. Mare parte din efectul fotovoltaic se produce în anumiți semiconductori și izolatori acolo unde lipsa unei simetrii perfecte în jurul punctului central (non-simetria față de centru) permite generarea unei tensiuni care poate fi chiar mai mare decât diferența de potențial energetic (diferența între banda de valență – nivelul energetic cel mai ridicat al electronilor la temperatura de zero absolut – și banda de conducție pe care pot trece electronii). Din păcate, materialele la care s-a observat efectul fotovoltaic neobișnuit au o eficiență de generare a electricității foarte redusă și nu sunt folosite niciodată în sisteme fotovoltaice practice.

Echipa de la Warwick s-a întrebat dacă nu ar fi posibilă manipularea sau forțarea semiconductorilor folosiți în celulele fotovoltaice comerciale pentru a li se impune și lor o structură fără simetrie centrală, ceea ce ar permite, poate, și exploatarea efectului fotovoltaic masiv. Pentru această lucrare, au decis să încerce să deformeze la propriu semiconductorii, cu ajutorul vârfului conductor al dispozitivelor de microscopie cu forță atomică, aplicat unui „nano-deformator”, cu care apoi au presat și au deformat cristale individuale de titanat de stronțiu (SrTiO3), dioxid de titaniu (TiO2) și silicon (Si). Cercetătorii au descoperit că toate trei pot fi deformate astfel, pentru a căpăta o structură cu asimetrie față de centru, și că, într-adevăr, după procedură au generat efectul fotovoltaic masiv.

Extinderea varietății de materiale care pot beneficia de efectul fotovoltaic masiv are mai multe avantaje: nu este necesară nicio joncțiune; se poate folosi pentru celulele fotovoltaice orice semiconductor cu o absorbție de lumină mai bună și, în ultimul rând, putem depăși limita termodinamică teoretică a randamentului de conversie, așa-numita limită Shockley-Queisser. Există provocări de inginerie, dar pare posibil să creăm celule solare în care un câmp de vârfuri simple cu baza de sticlă (100 de milioane pe cm2) să fie ținute în tensiune pentru a deforma suficient fiecare cristal semiconductor. Dacă, în viitor, metoda va spori eficiența celulelor chiar și cu un singur punct procentual, tot va fi de o enormă valoare comercială pentru producătorii de celule fotovoltaice și furnizorii de electricitate, spune profesorul Marin Alexe.

Sursa: Universitatea Warwick
Foto: Sven Döring
Ilustrație științifică: Mark Garlick

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*