光伏新技术为半导体薄膜发电带来新动力

haoohan

8 S8 {, t# I( b5 \8 T                               
登录/注册后可看大图

劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员发现一种新的方法，可克服传统固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应。

该研究小组研究使用的是铋铁氧体－利用铋、铁和氧制作的陶瓷。铋铁氧体是多铁氧体，同时显示出铁电和铁磁性质。
: S; h6 h! ?4 d
( E) s% F  A* s" ~1 ]+ {* \9 f铁电性是指通过电场逆转，材料的自发电极化；而铁磁性是指物质表现出永久磁矩的特性。

( b' H' V5 d/ E: n& n6 x+ I研究人员发现，在纳米空间里，由于其三方晶体的扭曲结构，铋铁氧体可以产生光伏效应。研究人员可通过电场操纵晶体结构，控制其光电特性。

“我们很高兴在多铁氧体材料的纳米空间找到了以前没有发现的特性，”Jan Seidel说。他是一位物理学家，同时任职于伯克利实验室材料科学部和加州大学伯克利分校物理系。
0 u) h( v- N: A4 R- e- s9 R9 p
“我们现在正把这个概念运用到生产更高效率的能源设备，”他补充说。

" d+ W+ A' G9 g9 X4 G4 e. J2 e传统的固态太阳能电池有正-负极联接－正极半导体层和负电子层之间的联接。这些层是光伏效应的关键。

当太阳能电池吸收来自太阳的光子时，光子的能量会产生电子空穴对，这些空穴对在耗竭区分开，也就是微小的正－负联接区，然后被收集为电力。
+ C* ^& b" X4 m
然而，这个过程需要光子穿透耗竭区的物质。他们的能量也必须精确地匹配了半导体的电子能带隙能量，也就是半导体价带和传导能带之间的差距，这里没有电子状态的存在。
( u8 t$ L1 d  X" [1 b# {) A
“传统固态光电器件可以产生的最大电压等于其电子能隙，”Mr. Seidel先生解释说。 “即使是所谓的串联细胞－其中有一些半导体正－负联结的堆积，其能产生的光电电压也是有限的，因为光穿透的深度是有限的。”

! r# Q% q- T& q( E' I) ~1 R8 E9 j研究小组发现，用白光照射铋铁氧体可以在1至2纳米宽的微观区域内产生光电电压。这种电压显着高于铋铁氧体的约2.7伏特的电子带隙。

0 u: e: q* p& f这种新方法可以在200微米的距离内产生约16伏特的电压。据证明，电压在原则上是线性可扩展性的，这表明更大的距离可产生更高的电压。
/ P& F# }; w1 f) @  K; Q/ h/ {
0 ]  T6 [' N8 F新方法还采用了光伏发电畴壁，这些畴壁通过多铁氧体材料的二维薄层作为过渡区，可分开不同的铁电或铁磁性能。
) K4 ]8 I: I3 K! S2 }
4 ?: o9 U3 @% N, _3 d在畴壁上，铋铁氧体的极化方向发生改变，从而可以产生静电势。该材料的菱形晶体能够被诱导形成畴壁，可以71度、109度或180度地改变电场极化，从而产生光伏效应。

该小组还可以使用200伏的电脉冲来扭转光伏效应的极性或将其完全关闭。Seidel先生和他的同事称，这种可控性的光伏效应从未在传统的光伏系统中出现，这种新方法为在纳米光学和纳米电子学的新应用铺平了道路。
! s$ f+ Q9 j2 ?
+ c6 I5 p# s# k. N8 c1 \该小组的研究是在Nature Nanotechnology杂志
* A) e7 F$ k7 z0 [; `6 T

$ p' m' x: h9 ~2 `5 ]) v作者 Katrice R. Jalbuena