研究人員發現可克服傳統固態太陽能電池帶隙電壓限制的新方法

勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員發現一種新的方法，可克服傳統固態太陽能電池帶隙電壓的限制，使半導體薄膜材料可產生光伏效應。

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，同時顯示出鐵電和鐵磁性質。

鐵電性是指通過電場逆轉，材料的自發電極化；而鐵磁性是指物質表現出永久磁矩的特性。

研究人員發現，在納米空間里，由于其三方晶體的扭曲結構，鉍鐵氧體可以產生光伏效應。研究人員可通過電場操縱晶體結構，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現的特性，”Jan Seidel說。他是一位物理學家，同時任職于伯克利實驗室材料科學部和加州大學伯克利分校物理系。

“我們現在正把這個概念運用到生產更高效率的能源設備，”他補充說。

傳統的固態太陽能電池有正-負極聯接－正極半導體層和負電子層之間的聯接。這些層是光伏效應的關鍵。

當太陽能電池吸收來自太陽的光子時，光子的能量會產生電子空穴對，這些空穴對在耗竭區分開，也就是微小的正－負聯接區，然后被收集為電力。

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

“傳統固態光電器件可以產生的最大電壓等于其電子能隙，”Mr. Seidel先生解釋說。 “即使是所謂的串聯細胞－其中有一些半導體正－負聯結的堆積，其能產生的光電電壓也是有限的，因為光穿透的深度是有限的?！?/p>

研究小組發現，用白光照射鉍鐵氧體可以在1至2納米寬的微觀區域內產生光電電壓。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微米的距離內產生約16伏特的電壓。據證明，電壓在原則上是線性可擴展性的，這表明更大的距離可產生更高的電壓。

新方法還采用了光伏發電疇壁，這些疇壁通過多鐵氧體材料的二維薄層作為過渡區，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生改變，從而可以產生靜電勢。該材料的菱形晶體能夠被誘導形成疇壁，可以71度、109度或180度地改變電場極化，從而產生光伏效應。

該小組還可以使用200伏的電脈沖來扭轉光伏效應的極性或將其完全關閉。Seidel先生和他的同事稱，這種可控性的光伏效應從未在傳統的光伏系統中出現，這種新方法為在納米光學和納米電子學的新應用鋪平了道路。

該小組的研究是在Nature Nanotechnology雜志