Kalifornian yliopiston Irvinen kampuksen (UC Irvine) tutkijat ovat tehneet mullistavan läpimurron aurinkoenergian alalla, joka voi muuttaa tavan, jolla tuotamme ja käytämme aurinkoenergiaa tulevaisuudessa. Tutkijoiden kehittämä menetelmä voi muuttaa perinteisen piin ominaisuudet dramaattisesti, parantaen sen kykyä muuntaa auringonvaloa sähköenergiaksi jopa 10 000-kertaisesti. Tämä voi mahdollistaa ohuempien ja tehokkaampien aurinkopaneelien valmistuksen, jotka olisivat myös huomattavasti edullisempia.

Aurinkokennojen toiminnan ytimessä on kyky muuntaa valoa sähköksi, ja tähän liittyy olennaisesti puolijohteiden kaistaväliominaisuudet. Puolijohteet voidaan jakaa karkeasti suoran ja epäsuoran kaistavälin materiaaleihin, ja tällä jaottelulla on suuri merkitys siitä, miten tehokkaasti materiaali pystyy absorboimaan ja muuntamaan valoa.

Suoran ja epäsuoran kaistavälin ero

Pii on ollut aurinkokennojen valmistuksen peruspilari jo vuosikymmenten ajan, mutta piin heikkous on sen epäsuora kaistaväli. Epäsuorassa kaistaväli-puolijohteessa elektronin siirtyminen valenssivyöltä johtavuusvyölle vaatii lisäksi fononin, eli hilavärähtelyn, apua. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että fotonin, fononin ja elektronin on kohdattava täsmälleen samaan aikaan, jotta energian muutos voi tapahtua. Tällainen monimutkainen vuorovaikutus on kuitenkin epätodennäköinen, minkä vuoksi piin kyky absorboida valoa on varsin heikko.

Toisaalta suorassa kaistaväli-puolijohteessa, kuten galliumarsenidissa, elektronin siirtyminen valenssivyöltä johtavuusvyölle onnistuu pelkästään fotonin tuomalla energialla, ilman fononin apua. Tämä tekee siirtymästä paljon tehokkaamman ja tarkoittaa sitä, että suoran kaistavälin materiaalit ovat huomattavasti parempia valon absorboimisessa ja energian muuntamisessa.

UC Irvinen tutkijat onnistuivat kehittämään menetelmän, jolla he muuttavat piin toimimaan suorana kaistaväli-puolijohteena muuttamatta kuitenkaan sen kemiallista koostumusta. He tekivät tämän luomalla valolle lisää liikemäärää rajatuilla nanometrin kokoisilla alueilla piin pinnalla. Tämä uusi vuorovaikutus mahdollistaa elektronien siirtymisen ilman fononia, lisäten piin kykyä absorboida valoa jopa 10 000-kertaisesti. Tämä on merkittävä parannus, joka saattaa muuttaa koko aurinkoenergian tuotannon lähtökohtia.

Vaikutus tulevaisuuden aurinkokennoihin

Nykyiset kaupalliset aurinkokennot tarvitsevat paksuja piikerroksia absorboidakseen tehokkaasti auringonvaloa. Paksut piikerrokset ovat kalliita valmistaa ja niiden tehokkuus ei aina ole optimaalinen, koska valon kulkiessa materiaalin läpi osa varauksenkuljettajista menetetään. Uuden menetelmän avulla voidaan valmistaa huomattavasti ohuempia piikalvoja, jotka silti absorboivat valoa erittäin tehokkaasti. Tämä tarkoittaa, että aurinkopaneelien valmistuskustannukset laskevat ja niiden tehokkuus paranee, mikä tekee aurinkoenergiasta entistä kilpailukykyisempää muihin energialähteisiin verrattuna.

Lisäksi ohuiden piikalvojen keveys ja joustavuus avaavat uusia mahdollisuuksia aurinkosähkön integroimiseksi erilaisiin sovelluksiin. Tutkijat mainitsevat muun muassa termosähköiset vaatteet, jotka voisivat ladata pieniä laitteita, ja ajoneuvoihin integroidut latausratkaisut, jotka voivat mahdollistaa ajoneuvojen omavaraisen energiantuotannon.

Tutkimus on tehty yhteistyössä venäläisen Kazanin yliopiston ja Tel Avivin yliopiston tutkijoiden kanssa, ja se on saanut rahoitusta Chan Zuckerberg -säätiöltä. Tutkimusartikkeli on julkaistu fotoniikkaan keskittyvässä ACS Nano -lehdessä.