Fotovoltaický efekt feroelektrických krystalů lze zvýšit až tisícinásobně, pokud jsou v krystalické mřížce pravidelně uspořádány tři různé materiály. Objevil to tým vědců z Univerzity Martina Luthera (MLU) v Halle-Wittenbergu, kterému se podařilo střídavě navrstvit krystalické vrstvy titaničitanu barnatého, titaničitanu strontnatého a titaničitanu vápenatého. Překvapivý objev, o němž němečtí vědci informovali v odborném časopise Science Advances, by v budoucnu mohl výrazně zvýšit účinnost solárních článků.
Většina současných solárních článků funguje na bázi křemíku, jejich účinnost je však poměrně omezená. Tento fakt přivedl vědce ke zkoumání nových materiálů, jako jsou feroelektrika, k nimž patří například titaničitan barnatý, směsný oxid baria a titanu.
„Feroelektrický znamená, že materiál odděluje kladné a záporné náboje,“ vysvětluje fyzik Akash Bhatnagar z Centra pro inovační kompetence SiLi-nano při MLU základní pojmy. „Oddělení náboje vede k asymetrické struktuře, která umožňuje vytvářet elektřinu ze světla,“ dále upřesňuje Bhatnagar. Na rozdíl od křemíku však nepotřebují feroelektrické krystaly k vytvoření fotovoltaického efektu takzvaný PN přechod, jinými slovy žádné pozitivně a negativně nabité vrstvy. Díky tomu je tak výroba solárních panelů mnohem snazší.
Čistý titaničitan barnatý však neabsorbuje mnoho slunečního světla, a proto vytváří poměrně nízký fotoproud. Nejnovější výzkum ukázal, že kombinace extrémně tenkých vrstev různých materiálů výrazně zvyšuje schopnost zachytávat sluneční energii. „Důležité je, že se feroelektrický materiál střídá s paraelektrickým materiálem. Ačkoli paraelektrický materiál nemá oddělené náboje, může se za určitých podmínek stát feroelektrickým, například při nízkých teplotách nebo když je jeho chemická struktura mírně upravena,“ vysvětluje Bhatnagar.
Bhatnagarův výzkumný tým zjistil, že fotovoltaický efekt je výrazně posílen, pokud se feroelektrická vrstva střídá nikoli pouze s jednou, ale se dvěma různými paraelektrickými vrstvami. Yeseul Yun, který je na MLU doktorandem a hlavním autorem studie, popisuje: „Titaničitan barnatý jsme vložili mezi titaničitan strontnatý a titaničitan vápenatý. Dosáhli jsme toho odpařením krystalů za pomoci vysoce výkonného laseru a jejich opětovným nanesením na nosné substráty. Výsledkem byl materiál skládající se z 500 vrstev o celkové tloušťce přibližně 200 nanometrů.“
Při provádění fotoelektrických měření byl nový materiál ozářen laserovým světlem. Výsledek těchto pokusů překvapil i samotné vědce: v porovnání s čistým titaničitanem barnatým podobné tloušťky byl proud až tisíckrát silnější, a to navzdory skutečnosti, že podíl titaničitanu barnatého jako hlavní fotoelektrické složky byl snížen téměř o dvě třetiny. „Interakce mezi vrstvami mřížky zřejmě vede k mnohem vyšší permitivitě. Jinými slovy: elektrony jsou schopny díky buzení světelnými fotony proudit mnohem snadněji,“ říká Akash Bhatnagar. Měření také ukázala, že tento efekt je velmi robustní: zůstal téměř konstantní po dobu šesti měsíců.
Vědci nyní plánují pokračovat ve výzkumu, aby zjistili, co přesně způsobuje takto mimořádný fotoelektrický efekt. Akash Bhatnagar je přesvědčen, že potenciál, který nový výzkum ukázal, bude možné využít v praktických aplikacích, především při konstrukci solárních panelů. „Struktura vrstev vykazuje ve všech teplotních rozsazích vyšší energetický zisk než čistá feroelektrika. Krystaly jsou také výrazně odolnější a nevyžadují žádné speciální balení,“ dodal.
