Исследователи под руководством доцента Янга Бая из исследовательского подразделения микроэлектроники сделали значительный шаг вперед в области эффективного сбора энергии, сосредоточив внимание на объемном фотоэлектрическом эффекте (BPVE) в сегнетоэлектрических материалах. Их работа демонстрирует потенциал этих материалов превзойти традиционные солнечные элементы на основе полупроводников.
Обычные солнечные элементы, которые мы видим на крышах домов или в солнечных электростанциях, основаны на использовании полупроводниковых материалов, таких как кремний. Они работают благодаря созданию p-n переходов — областей внутри полупроводника, где происходит разделение положительно и отрицательно заряженных носителей заряда под воздействием солнечного света. Однако эффективность таких элементов ограничена фундаментальным пределом Шокли-Квайссера, который устанавливает максимальную теоретическую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество для данного материала.
В отличие от традиционных элементов, BPVE не зависит от p-n переходов. Вместо этого, сегнетоэлектрические материалы обладают спонтанной поляризацией — внутренним электрическим полем, которое существует даже без внешнего воздействия. Это внутреннее поле способно создавать так называемый "самопереход", позволяя преодолеть пределы, установленные для обычных солнечных элементов.
Внутри сегнетоэлектрических кристаллов существуют домены — микроскопические области, где электрические поляризации выровнены в одном направлении. Команда доцента Бая обнаружила, что применение переменного электрического поля (переменной поляризации) позволяет более эффективно выровнять эти домены по сравнению с постоянным полем. После удаления переменного поля улучшенное выравнивание сохраняется, что снижает вероятность рекомбинации носителей заряда — процесса, при котором электроны и "дыры" (положительные носители заряда) аннигилируют, уменьшая эффективность преобразования энергии.
Хотя увеличение электрической мощности на 35% является значительным достижением, перед исследователями стоят новые вызовы. Один из них — поиск материалов, которые одновременно обладают узкой запрещенной зоной (для максимального поглощения видимого света) и высокой спонтанной поляризацией. Большинство существующих материалов имеют либо одно, либо другое качество, но не оба сразу.
В ближайшем будущем такие улучшенные сегнетоэлектрические материалы могут найти применение в небольших сенсорных и вычислительных устройствах, где свет различных длин волн может использоваться как дополнительный параметр для работы. Например, ранее было продемонстрировано использование BPVE в бесфильтровых датчиках цвета. Другие возможные применения включают компоненты для нейроморфных вычислений и многоканальные сборщики энергии для устройств Интернета вещей (IoT).
