Nästa generations solkraft: Japanska forskare når genombrott med BPVE

I en konventionell solcell bildar två olika dopade halvledarskikt en p-n-övergång. Vid gränsytan uppstår ett internt elektriskt fält. När ljuset träffar cellen genereras elektroner och deras positivt laddade motsvarigheter. Det elektriska fältet driver dem snabbt i motsatta riktningar, vilket skapar ett strömflöde. Denna grundläggande design har dock en inbyggd fysisk gräns för spänning och effektivitet - känd som Shockley-Queisser-gränsen. I praktiken kan endast en tredjedel av ljusets energi omvandlas till elektricitet, även under idealiska solljusförhållanden.

Det är här som bulk photovoltaic effect (BPVE) kommer in i bilden. Till skillnad från traditionella solceller förlitar den sig inte på en p-n-koppling eller ett inre elektriskt fält. Istället utnyttjar den den unika atomstrukturen hos vissa kristaller som saknar spegelsymmetri. Effekten uppstår när två symmetrier bryts samtidigt: För det första måste den spatiala spegelsymmetrin saknas, vilket gör att det asymmetriska atomarrangemanget kan pressa elektronerna i en riktning när de utsätts för ljus. För det andra måste den tidsomvända symmetrin brytas av ett magnetiskt material, så att elektronernas rörelser framåt och bakåt inte längre är likvärdiga. När båda villkoren är uppfyllda kan enbart ljus generera en ström - utan en kopplingspunkt och bortom Shockley-Queisser-gränsen.

Kyotoforskare når BPVE-genombrott - solceller styrbara via magnetism

Ett forskarlag vid Kyoto University, under ledning av fysikern Kazunari Matsuda, har för första gången utvecklat en solcell utan en konventionell p-n-övergång, där båda de kritiska villkoren uppfylls samtidigt:

1. Ett enda, atomtunt halvledarskikt säkerställer att materialet saknar spegelsymmetri.
2. En underliggande magnetisk kristall bryter dessutom tid-omvänd symmetri.

Kyoto University tillkännagav genombrottet den 24 juni. Detta gör att den fotovoltaiska bulkeffekten (BPVE) kan få fullt genomslag: ljus driver direkt elektroner i en riktning, vilket genererar ström utan behov av ett inre elektriskt fält. Den magnetiska kristallen fungerar som en finjusterbar kontrollratt - genom att applicera ett externt magnetfält kan strömmen slås på eller av, eller moduleras i styrka. I teorin skulle solceller baserade på BPVE kunna utvinna mer energi ur solljuset samtidigt som de är ultratunna, flexibla och till och med justerbara via magnetfält.

Den åttasidiga studien, som publicerades i Nature Communicationsoch är fritt tillgänglig online. Kyoto University har inte angett någon tidsplan för kommersialisering, men tekniken befinner sig fortfarande i ett tidigt utvecklingsskede. Det finns dock potentiella tillämpningar som kan dyka upp inom en snar framtid - inte bara inom energiproduktion, utan även inom sensorteknik. Till exempel skulle ultratunna BPVE-filmer kunna fungera som självförsörjande "minikraftverk" på etiketter, wearables eller miljöövervakningsenheter. Dessa filmer skulle inte bara kunna driva temperatur-, fuktighets- eller rörelsesensorer; deras magnetiska justerbarhet skulle också kunna möjliggöra detektering av ljusintensitet, magnetfält och till och med ljuspolarisation - allt i ett enda, nästan osynligt lager.