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光伏新技术在半导体薄膜发电领域的创新应用

2019.1.17

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。
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*磁矩的特性。
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。
“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。
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。
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。
“传统固态光电器件可以产生的zui大电压等于其电子能隙，”Mr. Seidel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。”
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。
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。
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。
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。