帶隙電壓限制半導(dǎo)體薄膜發(fā)電新突破
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究員們發(fā)現(xiàn)了光伏技術(shù)的一種新方法。這種方法克服了傳統(tǒng)固態(tài)太陽能電池的帶隙電壓限制，可以讓半導(dǎo)體薄膜材料發(fā)生光伏效應(yīng)。
研究小組使用的是鉍鐵氧體。這是一種利用鉍、鐵和氧制作的多鐵性陶瓷，同時顯示出鐵電和鐵磁兩種性質(zhì)。鐵電性是指通過電場逆轉(zhuǎn)，材料的自發(fā)電極化；而鐵磁性指物質(zhì)表現(xiàn)出永久磁矩的特性。
研究人員發(fā)現(xiàn)，鉍鐵氧體具有三方晶體的扭曲結(jié)構(gòu)，因此可以在納米空間中產(chǎn)生光伏效應(yīng)。此外，研究人員可通過電場操縱晶體結(jié)構(gòu)，從而控制其光伏性能。
“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)的功能。”讓·賽德爾說。他是一名物理學(xué)家，任職于伯克利實驗室材料科學(xué)部和加州大學(xué)伯克利分校物理系。他補(bǔ)充說：“我們現(xiàn)在正在把這個概念運(yùn)用到生產(chǎn)更高效率的能源設(shè)備上。”
傳統(tǒng)固態(tài)太陽能電池的核心部件有一個正-負(fù)極聯(lián)接，也就是正極半導(dǎo)體層和負(fù)電子層之間的聯(lián)接。當(dāng)電池吸收來自太陽能的光子時，光子的能量會產(chǎn)生電子空穴對，這些空穴對在耗竭區(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半導(dǎo)體的電子能帶隙能量，也就是半導(dǎo)體價帶和傳導(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，”賽德爾說，“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)接的堆積，他們能產(chǎn)生的光電電壓也是有限的，因為光穿透的深度是有限的。”
研究人員發(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電子帶隙。“鉍鐵氧體帶隙能量相當(dāng)于2.7伏特。而測試表明，我們的新方法可以在200微米的距離內(nèi)產(chǎn)生約16伏特的電壓。此外，這個電壓在原則上是線性可擴(kuò)展的，這意味著其中的距離越大，可產(chǎn)生的電壓也就越高。”
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。鉍鐵氧體的極化方向在疇壁上發(fā)生改變，從而可以產(chǎn)生靜電勢。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度地改變電場極化，從而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。
賽德爾和他的同事們還可以使用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。這種光伏效應(yīng)的可控性從來沒有在傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)中出現(xiàn)，這種新方法為納米光學(xué)和納米電子學(xué)的新應(yīng)用鋪平了道路。
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