Vědci objevili fotovoltaický efekt i v materiálu s centrosymetrickou strukturou

Vědci z Institute of Science Tokyo zveřejnili studii o takzvaném bulkovém fotovoltaickém efektu (BPVE), která zpochybňuje dosavadní chápání tohoto jevu. Výzkumný tým se zaměřil na van der Waalský materiál CuCrP2S6 a zjistil, že fotovoltaický efekt může přetrvávat i v situaci, kterou klasická fyzika pevných látek dlouho považovala za vylučující.

Bulkový fotovoltaický efekt je jev, při němž materiál generuje elektrický proud působením světla bez nutnosti existence klasického p-n přechodu, jak je tomu u běžných křemíkových solárních článků. Tradičně se mělo za to, že k tomuto efektu může docházet pouze v materiálech s noncentrosymetrickou krystalovou strukturou, tedy ve strukturách, které postrádají střed symetrie. Centrosymetrická struktura, v níž každému atomu odpovídá jeho zrcadlový protějšek vzhledem ke středovému bodu, byla považována za neslučitelnou s existencí BPVE.

Tým z Institute of Science Tokyo však na materiálu CuCrP2S6 prokázal, že tomu tak být nemusí. Výzkumníci zjistili, že bulkový fotovoltaický efekt může přetrvávat i při průměrné krystalové struktuře, která zůstává centrosymetrická. Klíčovým prvkem celého zjištění je přechod materiálu z noncentrosymetrické do centrosymetrické průměrné struktury – přesto si materiál podle výsledků studie zachovává schopnost generovat fotovoltaický proud.

Vysvětlení tohoto zdánlivého rozporu spočívá pravděpodobně v lokálních odchylkách od ideální symetrie, které v průměrném, makroskopickém popisu struktury zanikají, ale na mikroskopické úrovni mohou nadále vytvářet podmínky nutné pro vznik BPVE. Materiál CuCrP2S6, patřící do rodiny van der Waalských látek, se tak ukazuje jako vhodný modelový systém pro zkoumání vztahu mezi symetrií krystalu a fotovoltaickými vlastnostmi.

Van der Waalské materiály jsou tvořeny vrstvami, které jsou mezi sebou vázány slabšími van der Waalskými silami, zatímco uvnitř jednotlivých vrstev převládají silnější kovalentní vazby. Tato struktura umožňuje relativně snadnou manipulaci s jednotlivými vrstvami a otevírá možnosti pro přesné ladění fyzikálních vlastností materiálu, včetně jeho optických a elektronických charakteristik.

Zjištění japonských vědců má potenciálně významné důsledky pro vývoj nových typů fotovoltaických materiálů. Pokud totiž platí, že BPVE nevyžaduje striktně noncentrosymetrickou strukturu na úrovni průměrného popisu krystalu, otevírá se tím podstatně širší skupina materiálů, které by mohly být vhodné pro fotoelektrickou konverzi energie. Dosavadní výzkum a vývoj v této oblasti se totiž soustředil téměř výhradně na materiály splňující podmínku asymetrie struktury, což omezovalo okruh zkoumaných kandidátů.

Studie tak naznačuje novou strategii, jak přistupovat ke zlepšování účinnosti fotoelektrické konverze – namísto hledání výhradně noncentrosymetrických materiálů by se výzkum mohl zaměřit i na látky, které vykazují lokální symetrické odchylky skryté pod zdánlivě centrosymetrickým průměrným uspořádáním. Takový přístup by mohl vést k objevu zcela nových tříd materiálů vhodných pro solární technologie nebo jiné aplikace využívající přeměnu světelné energie na elektrickou.

Výsledky práce vědců z Institute of Science Tokyo rovněž přispívají k hlubšímu teoretickému porozumění mechanismům stojícím za bulkovým fotovoltaickým efektem jako takovým. Jev byl v minulosti pozorován u řady materiálů, včetně některých feroelektrik, ale přesný mikroskopický původ efektu a podmínky jeho vzniku zůstávaly předmětem diskusí mezi odborníky na fyziku kondenzovaných látek.

Případ materiálu CuCrP2S6 ukazuje, že vztah mezi krystalovou symetrií a fotovoltaickými vlastnostmi je komplexnější, než se dosud předpokládalo, a že zjednodušující kritéria založená pouze na makroskopickém popisu struktury nemusí vždy odpovídat realitě na atomární úrovni. Další výzkum v této oblasti by mohl objasnit, zda se podobné chování vyskytuje i u jiných van der Waalských materiálů a jaké konkrétní strukturní mechanismy za tímto jevem stojí.