Useimmat kaupalliset aurinkokennot muodostuvat kahdesta puolijohdekerroksesta ja niiden välisestä liitosrajapinnasta. Valosähköä voi kuitenkin kerätä myös tasa-aineisilla materiaaleilla. Tällainen valosähköinen vaikutus esiintyy tietyillä puolijohteilla ja eristeillä, joissa niiden täydellisen symmetrian puuttuminen mahdollistaa jännitteen muodostumisen.
Valitettavasti näillä materiaaleilla on hyvin alhainen sähköntuoton tehokkuus ja eikä niitä juurikaan käytetä käytännön sähköntuotannossa. Brittiläisen Warwickin yliopiston fyysikot kokeilivat, voisiko olla mahdollista manipuloida kaupallisten aurinkokennojen puolijohteita tavalla, jotta ne voitaisiin pakottaa ei-symmetriseen rakenteeseen ja mahdollisesti myös hyötymään tasa-aineisesta aurinkosähkötehosta.
Kokeet tehtiin atomivoimamikroskopialaitteiden kärjillä strontiumtitaanin (SrTiO3), titaanidioksidin (TiO2) ja piin (Si) yksittäisiä kiteitä puristaen. Muokkaus antoi niille kaikille tavoitellun rakenteen ja ne pystyivät tuottamaan tasa-aineisen aurinkosähkövaikutuksen.
Tällainen materiaalivalikoiman laajentaminen mahdollistaisi rajapintaliitoksesta luopumisen ja aurinkokennoihin voitaisiin valita mikä tahansa puolijohde, jolla on parempi valon absorptio. Lisäksi voitaisiin päästä eroon tehon muuntamistehokkuuden Shockley-Queisser -rajasta, jonka mukaan ideaalisissakin tilanteissa aurinkokennoilla voitaisiin muuntaa sähkövirraksi vain 33,7 prosenttia valosta.
Myös Connecticutin yliopiston materiaalitekniikan instituutin tutkijat paransivat huomattavasti atomisesti ohuen puolijohdemateriaalin suorituskykyä venyttämällä sitä.
Tutkijat raportoivat, että kuuden atomin paksuisen volframi-diseleeni -kaksoiskerroksen fotoluminenssi kasvoi 100-kertaiseksi venytyksen alaisena. Löytö voisi olla hyödyllinen suunniteltaessa seuraavan sukupolven joustavaa elektroniikkaa, nanolaitteita ja optisia antureita.
Valo tekee joitain materiaaleja johtavaksi epätavallisilla tavoilla. Tavallisissa piiaurinkokennoissa elektronit virtaavat, kun aurinko paistaa. Max Planck -instituutin tutkijat ovat kuitenkin keksineet yllätyksen: erikoisperovskiitti MAPI valaisee vapautuneita elektroneja mutta myös sähköisesti varautuneita atomeja eli ioneja.
Lisäksi tämä uusi valokennovaikutus on erittäin suuri. Ionien johtavuus kasvoi kertoimella sata. Näistä materiaaleista valmistetuista aurinkokennoissa suuri valon aiheuttama ionien johtavuus on melko haitallista; mutta nyt seurauksia voidaan paremmin torjua.
Kemistille kuitenkin ilmiö sellaisenaan on kaikkein mielenkiintoisin. Sen ansiosta voidaan vapauttaa valon avulla liikkuvia ioneja eli niitä varauksenkantajia, jotka kuljettavat sähköä sähkökemiallisissa sovelluksissa, kuten akuissa, polttokennoissa tai sähkökemiallisissa antureissa ja kytkimissä.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 15.5.2018
