將光伏效應(yīng)提升1000倍
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發(fā)布日期：2021-08-10
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將光伏效應(yīng)提升1000倍
《科學(xué)進(jìn)展 - Science Advances》雜志最近發(fā)布的一篇論文顯示，三層不同鐵電晶體(在這種情況下是鈦酸鋇、鈦酸鍶和鈦酸鈣)的晶格排列，讓太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)提高1,000倍。
研究成果來(lái)自德國(guó)馬丁路德大學(xué)哈雷-維滕貝格(MLU - Martin Luther University Halle-Wittenberg)。研究人員將三層不同鐵電晶體(鈦酸鋇、鈦酸鍶和鈦酸鈣)的晶格重新排列，不同材料的超薄層結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生了強(qiáng)大的太陽(yáng)能光電效應(yīng)，能升1,000 倍。
目前大多數(shù)太陽(yáng)能電池都是硅基結(jié)構(gòu)，研究認(rèn)為，硅基太陽(yáng)能的理論光電效率大約在29%左右，目前已接近極限。為了進(jìn)一步提升光電轉(zhuǎn)化效率，研究人員開(kāi)始嘗試砷化鎵、疊層、多結(jié)、鈣鈦礦等新材料，鐵電體就是一個(gè)方向。
鐵電晶體與傳統(tǒng)硅電池的不同之處在于它們不需要pn 結(jié)來(lái)產(chǎn)生光伏效應(yīng)，不需要在電池內(nèi)創(chuàng)建正摻雜層和負(fù)摻雜層。研究人員認(rèn)為，鐵電意味著材料在空間上分離了正電荷和負(fù)電荷，電荷分離導(dǎo)致不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，光能轉(zhuǎn)變成電能，這種變化可以使材料更容易發(fā)電。
鈦酸鋇就是一種鐵電體材料，由鋇和鈦制成的混合氧化物，然而純鈦酸鋇不會(huì)吸收太多陽(yáng)光，它產(chǎn)生的光電流相對(duì)較低。MLU研究人員一直在試驗(yàn)用鈦酸鋇結(jié)合不同材料的超薄層，試圖顯著提高電池發(fā)電量。
研究人員將鈦酸鋇嵌入鈦酸鍶和鈦酸鈣之間，在電池中添加了一層薄的順電層。盡管該層沒(méi)有分離的電荷，但在某些條件下如在低溫下或化學(xué)結(jié)構(gòu)稍有改變時(shí)它可以變成鐵電體。
當(dāng)鐵電層與兩個(gè)不同的順電層交替時(shí)，晶格層之間的相互作用似乎導(dǎo)致了更高的介電常數(shù)，光電子能夠更容易地流動(dòng)，產(chǎn)生了更強(qiáng)的光伏效應(yīng)。
研究人員再將激光照射電池以測(cè)試新材料，結(jié)果令他們感到驚訝。與類(lèi)似厚度的純鈦酸鋇相比，盡管鈦酸鋇的比例減少了近三分之二，三種不同的材料在晶格中周期性排列，鐵電材料與順電材料交替使用，電流強(qiáng)度高達(dá) 1,000 倍。
與純鐵電體相比，層狀結(jié)構(gòu)在所有溫度范圍內(nèi)都顯示出更高的發(fā)電量，晶體也明顯更耐用，不需要特殊包裝。研究人員將進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以準(zhǔn)確找出導(dǎo)致超強(qiáng)光電效應(yīng)的原因。