Cercetătorii de la Universitatea Oxford au identificat un material semiconductor care ar putea contribui la dezvoltarea unor panouri solare mai eficiente. Este vorba despre sulfura de bismut, un compus care reușește să absoarbă puternic lumina și, în același timp, să păstreze mai mult timp sarcinile electrice generate. Potrivit rezultatelor, rata pierderilor provocate de recombinarea sarcinilor electrice poate fi redusă cu aproximativ 75% în comparație cu cea a unor semiconductori convenționali cu absorbție similară.

Descoperirea a fost prezentată pe 28 octombrie 2026, într-un studiu publicat în prestigioasa revistă științifică Nature. Cercetarea, coordonată de fizicieni de la Oxford în colaborare cu specialiști de la Universitatea Wuhan din China, propune o nouă abordare pentru depășirea uneia dintre limitările fundamentale ale tehnologiilor fotovoltaice.

Rezultatul nu înseamnă că panourile solare existente vor produce imediat cu 75% mai multă electricitate. Procentul se referă la reducerea unui anumit proces de pierdere a sarcinilor electrice, observat și analizat în condiții experimentale. Tehnologia nu a fost încă integrată într-o celulă solară comercială, însă cercetătorii consideră că mecanismul descoperit poate deschide noi direcții în dezvoltarea materialelor pentru producerea energiei curate.

De ce se pierde o parte din energia captată de panourile solare

Panourile fotovoltaice transformă lumina soarelui în energie electrică prin intermediul unor materiale semiconductoare. Atunci când lumina ajunge la suprafața acestora, energia fotonilor poate elibera electroni, generând sarcini electrice care trebuie colectate pentru a produce curent.

Problema apare atunci când electronii se recombină cu așa-numitele „goluri”, adică locurile rămase în urma deplasării electronilor. În acel moment, energia care ar fi putut contribui la producerea electricității se pierde, de regulă sub formă de căldură sau radiație.

Acest fenomen, cunoscut sub numele de recombinare electron-gol, reprezintă una dintre limitările importante ale eficienței celulelor solare.

În mod obișnuit, materialele care absorb foarte bine lumina tind să piardă mai repede sarcinile electrice generate. În schimb, semiconductorii care păstrează aceste sarcini pentru perioade mai lungi nu au întotdeauna aceeași capacitate de absorbție.

Siliciul, materialul folosit în majoritatea panourilor fotovoltaice actuale, are o capacitate relativ redusă de absorbție a luminii în comparație cu anumite materiale semiconductoare moderne, dar prezintă avantaje în privința duratei de viață a sarcinilor electrice.

Cercetătorii încearcă de mult timp să identifice materiale care să combine cele două caracteristici: absorbție puternică și pierderi reduse de sarcină electrică.

Ce au descoperit cercetătorii în sulfura de bismut

Echipa coordonată de profesoara Laura Herz, de la Departamentul de Fizică al Universității Oxford, a analizat proprietățile sulfurii de bismut, un material semiconductor cunoscut sub formula chimică Bi₂S₃.

Cercetătorii au descoperit că materialul prezintă o structură electronică neobișnuită. Aceasta îi permite să absoarbă eficient lumina, fără ca sarcinile electrice rezultate să dispară la fel de rapid ca în cazul semiconductorilor convenționali cu o absorbție puternică.

Explicația se află în modul în care sunt organizate nivelurile de energie din interiorul materialului.

Sulfura de bismut dispune de două căi apropiate energetic prin care electronii pot trece între diferite stări. Una dintre ele permite absorbția eficientă a luminii, iar cealaltă favorizează păstrarea pentru mai mult timp a sarcinilor electrice.

Practic, o parte dintre sarcini ajung în stări energetice în care recombinarea este mai lentă. Cercetătorii descriu acest comportament ca pe un rezervor temporar care întârzie pierderea energiei captate.

Materialul face parte dintr-o categorie pe care autorii studiului o numesc semiconductori „pseudo-direcți”, deoarece combină proprietăți întâlnite, în mod obișnuit, la două clase distincte de semiconductori.

Potrivit Universității Oxford, mecanismul poate reduce cu aproximativ 75% rata recombinării bimoleculare a sarcinilor electrice la temperatura camerei, comparativ cu un semiconductor convențional care absoarbe lumina la fel de puternic.

Cum a fost demonstrată reducerea pierderilor de energie

Pentru a investiga proprietățile materialului, cercetătorii au utilizat pelicule subțiri de sulfură de bismut, fabricate de echipa Universității Wuhan.

Acestea au fost expuse unor impulsuri laser extrem de scurte, care au permis generarea și monitorizarea sarcinilor electrice din material.

Specialiștii au folosit o metodă numită spectroscopie terahertz ultrarapidă, capabilă să urmărească schimbările produse în semiconductor pe intervale de timp foarte mici.

Experimentele au fost efectuate la temperaturi diferite, de la temperatura camerei până la valori apropiate de zero absolut.

Rezultatele au evidențiat un comportament neobișnuit. În timp ce în mulți semiconductori răcirea poate accelera anumite procese de recombinare, în sulfura de bismut pierderea sarcinilor electrice a devenit mai lentă odată cu scăderea temperaturii.

Calculele realizate de echipa profesoarei Marina Filip, tot de la Universitatea Oxford, au confirmat că acest comportament este legat de structura electronică a materialului.

Studiul, intitulat „Delayed electron–hole recombination in a pseudo-direct semiconductor”, arată că reducerea estimată de aproximativ 75% apare datorită mecanismului intern care limitează recombinarea electronilor cu golurile.

Acest procent nu descrie reducerea tuturor pierderilor energetice dintr-un panou solar și nici creșterea eficienței sale totale. Este o măsură a unui proces fizic precis, care poate influența performanța viitoarelor celule fotovoltaice.

Ce ar putea însemna descoperirea pentru viitoarele panouri solare

Una dintre direcțiile de cercetare deschise de acest rezultat este dezvoltarea unor celule fotovoltaice capabile să colecteze o proporție mai mare din sarcinile electrice generate de lumină.

Dacă electronii și golurile rămân separate pentru mai mult timp, există o șansă mai mare ca acestea să fie colectate înainte de recombinare. În principiu, acest lucru ar putea contribui la transformarea unei cantități mai mari de energie solară în electricitate.

Beneficiul potențial nu se limitează la panourile fotovoltaice.

Cercetătorii consideră că sarcinile electrice cu o durată de viață mai mare ar putea fi utile și în procesele care utilizează lumina pentru declanșarea unor reacții chimice, inclusiv în dezvoltarea tehnologiilor de producere a combustibililor solari.

Rezultatul oferă și o nouă metodă de identificare a materialelor promițătoare. Prin analiza bazelor de date cu structuri și proprietăți electronice, oamenii de știință ar putea descoperi alți semiconductori care prezintă același mecanism.

O altă posibilitate este modificarea controlată a structurii anumitor materiale pentru a reproduce comportamentul observat în sulfura de bismut.

Aceste direcții ar putea extinde cercetarea dincolo de materialul analizat în actualul studiu și ar putea contribui la proiectarea unor noi generații de semiconductori pentru energia solară.

Când ar putea fi folosită tehnologia în panourile disponibile pe piață

Deocamdată, cercetarea se află la nivelul demonstrării unui mecanism fizic. Oamenii de știință nu au prezentat o celulă solară comercială construită pe baza noii descoperiri și nici un randament final al unui panou fotovoltaic care utilizează această tehnologie.

Pentru transformarea rezultatului într-un produs practic, vor fi necesare cercetări suplimentare privind integrarea sulfurii de bismut în dispozitive fotovoltaice funcționale. Specialiștii trebuie să stabilească în ce măsură proprietățile observate în laborator pot fi păstrate în structura unei celule complete, unde performanța depinde și de contactele electrice, defectele materialului, transportul sarcinilor și stabilitatea în timpul funcționării. Urmează și întrebări legate de costurile de fabricație, producția la scară industrială și durabilitatea materialului în condiții de utilizare îndelungată.

Studiul nu oferă un calendar pentru apariția unor panouri solare bazate pe acest mecanism. Ceea ce au demonstrat, însă, cercetătorii de la Oxford este că o limitare considerată fundamentală în proiectarea materialelor pentru captarea energiei solare poate fi abordată într-un mod diferit. Prin identificarea unui semiconductor care combină absorbția puternică a luminii cu recombinarea mai lentă a sarcinilor electrice, cercetarea deschide posibilitatea dezvoltării unor tehnologii fotovoltaice mai eficiente, fără să presupună că acestea sunt deja disponibile.