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未來太陽能電池的奇特新效應:柔性光伏

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年01月17日  

英國華威大學(University of Warwick)的科學家們報導發現新型光伏效應,他們稱之為“柔性光伏”。其能夠真正使硅等普通晶體及其它材料實現一種能量轉換,這種能量轉換人們早已知曉,卻未被充分利用。技術的關鍵在于使勁用尖銳的物體戳相關材料。


目前的太陽能電池一般由硅制成,存在由p-n結構成的內置電場。p-n結是具有過量正電荷載體(空穴)的區域與具有過量負電荷載體(自由電子)的區域的交界處。光子被吸收時變成一個自由電子和一個空穴。由于p-n結的存在,自由電子和空穴分離,產生電壓。這類太陽能電池本身存在能量轉換效率極限,即肖克利·奎伊瑟效率極限(Shockley-Queisser limit),效率不能超過33.7%。


但另一種效應——體光伏效應(bulk photovoltaic effect)不存在類似極限。它只在晶體結構缺乏中心對稱性的材料中出現,英國華威大學物理學教授、項目領導人Marin Alexe解釋道。具有中心對稱性就是圍繞中心旋轉晶體的單元結構而結構不變。不具備中心對稱性的材料,例如鈦酸鋇(barium titanate),存在體光伏效應,盡管缺乏p-n結仍能產生電流,但由于其他原因不適合做太陽能電池。


Alexe教授和他的學生Ming-Min Yang、博士后研究員Dong Jik Kim共同研究是否能夠使中心對稱、適合做太陽能電池的材料展現體光伏效應,例如硅。


他們利用微觀層次的蠻力達到目的:用原子力顯微鏡的尖端搗碎了晶體。結果晶體產生嚴重應變,失去中心對稱性,“這就讓晶體產生了體光伏效應,”Alexe教授說。該效應在許多類型的晶體中都適用,他們已經試驗了鈦酸鍶(strontium titanate)、氧化鈦(titanium oxide)和硅。更出色的是“該效應沒有熱力學限制,因為它并非基于p-n結,”他說。


但它比普通太陽能電池更為有效嗎?“我們無法對效率做任何說明,”Alexe教授說。那些實驗要等他們更充分地表征這一效應后再進行。“我們確定的是,理論上沒有什么限制我們在一個裝置中利用兩種效應。”


Alexe教授設想用一列微型尖刺向下擠壓常規硅太陽能電池。“這是最簡單的方法,不一定是最便宜或最聰明的方法,”Alexe教授說。另一種方案是將應變誘導缺陷設計到硅中。(設計在微處理器中加速晶體管的應變類型不適用于這種效應。)“這是一個全新的研究領域,可以開放這個研究,設計這類效應,”他說。

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