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光伏新技术突破带隙电压限制 半导体薄膜发电迎来新动力  
光伏新技术突破带隙电压限制 半导体薄膜发电迎来新动力
副标题:光伏新技术突破带隙电压限制 半导体薄膜发电迎来新动力
日期:2010-4-15 9:57:13     来源:每日科学   编辑:51Touch 

  据《每日科学》4月1日报道,美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究员们发现了光伏技术的一种新方法。这种方法克服了传统固态太阳能电池的带隙电压限制,可以让半导体薄膜材料发生光伏效应。

  研究小组使用的是铋铁氧体。这是一种利用铋、铁和氧制作的多铁性陶瓷,同时显示出铁电和铁磁两种性质。铁电性是指通过电场逆转,材料的自发电极化;而铁磁性指物质表现出永久磁矩的特性。

  研究人员发现,铋铁氧体具有三方晶体的扭曲结构,因此可以在纳米空间中产生光伏效应。此外,研究人员可通过电场操纵晶体结构,从而控制其光伏性能。

  “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功能。”让·赛德尔说。他是一名物理学家,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。他补充说:“我们现在正在把这个概念运用到生产更高效率的能源设备上。”

  传统固态太阳能电池的核心部件有一个正-负极联接,也就是正极半导体层和负电子层之间的联接。当电池吸收来自太阳能的光子时,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最大电压等于其电子能隙,”赛德尔说,“即使是所谓的串联细胞,其中有一些半导体正负联接的堆积,他们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。”

  研究人员发现,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。这种电压显著高于铋铁氧体的电子带隙。“铋铁氧体带隙能量相当于2.7伏特。而测试表明,我们的新方法可以在200微米的距离内产生约16伏特的电压。此外,这个电压在原则上是线性可扩展的,这意味着其中的距离越大,可产生的电压也就越高。”

  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。铋铁氧体的极化方向在畴壁上发生改变,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。

  赛德尔和他的同事们还可以使用200伏的电脉冲来扭转光伏效应的极性或将其完全关闭。这种光伏效应的可控性从来没有在传统的光伏系统中出现,这种新方法为纳米光学和纳米电子学的新应用铺平了道路。

 

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