Der Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPV) ist ein ungewöhnliches Phänomen, das bestimmte Materialien in die Lage versetzen könnte, die in Solarzellen verwendeten herkömmlichen p-n-Übergänge zu übertreffen. In einer aktuellen Studie haben japanische Forscher den BPV-Effekt in Alpha-Phasen-Indiumselenid (α-In2Se3) zum ersten Mal entlang der Richtung außerhalb der Ebene experimentell nachgewiesen und damit frühere theoretische Vorhersagen bestätigt. Die bemerkenswerte Umwandlungseffizienz ihres α-In2Se3-Bauelements ist ein vielversprechender Fortschritt für künftige Solarzellentechnologien und Photosensoren.
p-n-Übergänge an der Grenze
Ein solides Verständnis des photovoltaischen Effekts, durch den Licht in nützliche elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist die Grundlage für die Entwicklung von Solarzellen. Heute werden in den meisten Solarzellen p-n-Übergänge eingesetzt, die den photovoltaischen Effekt nutzen, der an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Materialien auftritt. Derartige Konstruktionen sind jedoch durch die Shockley-Queisser-Grenze eingeschränkt, die eine harte Obergrenze für den theoretischen maximalen Wirkungsgrad der Solarzellen darstellt und einen Kompromiss zwischen der Spannung und dem Strom, der durch den photovoltaischen Effekt erzeugt werden kann, vorschreibt.
Bestimmte kristalline Materialien weisen jedoch ein faszinierendes Phänomen auf, das als Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPV) bekannt ist. In Materialien ohne innere Symmetrie können sich die durch Licht angeregten Elektronen kohärent in eine bestimmte Richtung bewegen, anstatt in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren. Dies führt zu so genannten „Verschiebungsströmen“, die den BPV-Effekt hervorrufen. Obwohl Experten Indiumselenid in der Alpha-Phase (α-In2Se3) als möglichen Kandidaten für dieses Phänomen vorausgesagt haben, wurde es bisher noch nicht experimentell untersucht.
Um diese Wissenslücke zu schließen, hat sich ein japanisches Forscherteam unter der Leitung von Professor Noriyuki Urakami von der Shinshu-Universität daran gemacht, den BPV-Effekt in α-In2Se3zu untersuchen.
„Dieses Material ist in letzter Zeit zu einem heißen Thema in der Physik der kondensierten Materie geworden, da es in der Lage sein könnte, einen Verschiebungsstrom zu erzeugen. Unsere Studie ist die erste, die diese Vorhersage experimentell nachweist“, erklärt Prof. Urakami.
BPV-Effekt messen
Zunächst stellten die Forscher ein Schichtbauelement her, das aus einer dünnen α-In2Se3-Schicht besteht, die zwischen zwei transparenten Graphitschichten liegt. Diese Graphitschichten dienten als Elektroden und wurden an eine Spannungsquelle und ein Strommessgerät angeschlossen, um die bei Lichteinstrahlung erzeugten Ströme zu messen. Das Team wählte diese spezielle Anordnung der Schichten, weil es sich auf die Verschiebungsströme konzentrierte, die in der α-In2Se3-Schicht in Richtung außerhalb der Ebene auftreten. Nach Tests mit verschiedenen externen Spannungen und Lichteinfall mit unterschiedlichen Frequenzen konnten die Forscher das Vorhandensein von Verschiebungsströmen in der Richtung außerhalb der Ebene nachweisen und damit die oben genannten Vorhersagen bestätigen. Der BPV-Effekt trat in einem breiten Spektrum von Lichtfrequenzen auf.
Vor allem aber haben die Forscher das Potenzial des BPV-Effekts in α-In2Se3 gemessen und mit dem in anderen Materialien verglichen. „Unser α-In2Se3-Bauelement weist eine Quanteneffizienz auf, die um mehrere Größenordnungen höher ist als die anderer ferroelektrischer Materialien und mit der von niedrigdimensionalen Materialien mit verstärkter elektrischer Polarisation vergleichbar ist“, bemerkt Prof. Urakami. Er fügt hinzu: „Diese Entdeckung wird die Materialauswahl für die Entwicklung funktioneller photovoltaischer Geräte in naher Zukunft beeinflussen.“
Das Forscherteam hofft, dass sich ihre Bemühungen letztendlich positiv auf die Umwelt auswirken werden, indem sie einen Beitrag zur Erzeugung erneuerbarer Energie leisten. „Unsere Ergebnisse haben das Potenzial, die Verbreitung von Solarzellen, einer der Schlüsseltechnologien für die Gewinnung von Umweltenergie und ein vielversprechender Weg zu einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft, weiter zu beschleunigen“, schließt Prof. Urakami hoffnungsvoll.
