研究人員發(fā)現(xiàn)可克服傳統(tǒng)固態(tài)太陽(yáng)能電池帶隙電壓限制的新方法

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)一種新的方法，可克服傳統(tǒng)固態(tài)太陽(yáng)能電池帶隙電壓的限制，使半導(dǎo)體薄膜材料可產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

該研究小組研究使用的是鉍鐵氧體－利用鉍、鐵和氧制作的陶瓷。鉍鐵氧體是多鐵氧體，同時(shí)顯示出鐵電和鐵磁性質(zhì)。

鐵電性是指通過電場(chǎng)逆轉(zhuǎn)，材料的自發(fā)電極化；而鐵磁性是指物質(zhì)表現(xiàn)出永久磁矩的特性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在納米空間里，由于其三方晶體的扭曲結(jié)構(gòu)，鉍鐵氧體可以產(chǎn)生光伏效應(yīng)。研究人員可通過電場(chǎng)操縱晶體結(jié)構(gòu)，控制其光電特性。

“我們很高興在多鐵氧體材料的納米空間找到了以前沒有發(fā)現(xiàn)的特性，”Jan Seidel說。他是一位物理學(xué)家，同時(shí)任職于伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部和加州大學(xué)伯克利分校物理系。

“我們現(xiàn)在正把這個(gè)概念運(yùn)用到生產(chǎn)更高效率的能源設(shè)備，”他補(bǔ)充說。

傳統(tǒng)的固態(tài)太陽(yáng)能電池有正-負(fù)極聯(lián)接－正極半導(dǎo)體層和負(fù)電子層之間的聯(lián)接。這些層是光伏效應(yīng)的關(guān)鍵。

當(dāng)太陽(yáng)能電池吸收來自太陽(yáng)的光子時(shí)，光子的能量會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這些空穴對(duì)在耗竭區(qū)分開，也就是微小的正－負(fù)聯(lián)接區(qū)，然后被收集為電力。

然而，這個(gè)過程需要光子穿透耗竭區(qū)的物質(zhì)。他們的能量也必須精確地匹配了半導(dǎo)體的電子能帶隙能量，也就是半導(dǎo)體價(jià)帶和傳導(dǎo)能帶之間的差距，這里沒有電子狀態(tài)的存在。

“傳統(tǒng)固態(tài)光電器件可以產(chǎn)生的最大電壓等于其電子能隙，”Mr. Seidel先生解釋說。 “即使是所謂的串聯(lián)細(xì)胞－其中有一些半導(dǎo)體正－負(fù)聯(lián)結(jié)的堆積，其能產(chǎn)生的光電電壓也是有限的，因?yàn)楣獯┩傅纳疃仁怯邢薜??！?/p>

研究小組發(fā)現(xiàn)，用白光照射鉍鐵氧體可以在1至2納米寬的微觀區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生光電電壓。這種電壓顯著高于鉍鐵氧體的約2.7伏特的電子帶隙。

這種新方法可以在200微米的距離內(nèi)產(chǎn)生約16伏特的電壓。據(jù)證明，電壓在原則上是線性可擴(kuò)展性的，這表明更大的距離可產(chǎn)生更高的電壓。

新方法還采用了光伏發(fā)電疇壁，這些疇壁通過多鐵氧體材料的二維薄層作為過渡區(qū)，可分開不同的鐵電或鐵磁性能。

在疇壁上，鉍鐵氧體的極化方向發(fā)生改變，從而可以產(chǎn)生靜電勢(shì)。該材料的菱形晶體能夠被誘導(dǎo)形成疇壁，可以71度、109度或180度地改變電場(chǎng)極化，從而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

該小組還可以使用200伏的電脈沖來扭轉(zhuǎn)光伏效應(yīng)的極性或?qū)⑵渫耆P(guān)閉。Seidel先生和他的同事稱，這種可控性的光伏效應(yīng)從未在傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)中出現(xiàn)，這種新方法為在納米光學(xué)和納米電子學(xué)的新應(yīng)用鋪平了道路。

該小組的研究是在Nature Nanotechnology雜志