帶隙電壓限制半導體薄膜發電新突破
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究員們發現了光伏技術的一種新方法。這種方法克服了傳統固態太陽能電池的帶隙電壓限制，可以讓半導體薄膜材料發生光伏效應。
研究小組使用的是鉍鐵氧體。這是一種利用鉍、鐵和氧制作的多鐵性陶瓷，同時顯示出鐵電和鐵磁兩種性質。鐵電性是指通過電場逆轉，材料的自發電極化；而鐵磁性指物質表現出永久磁矩的特性。
研究人員發現，鉍鐵氧體具有三方晶體的扭曲結構，因此可以在納米空間中產生光伏效應。此外，研究人員可通過電場操縱晶體結構，從而控制其光伏性能。
“我們很高興在多鐵氧體材料的納米空間找到了以前沒有發現的功能。”讓·賽德爾說。他是一名物理學家，任職于伯克利實驗室材料科學部和加州大學伯克利分校物理系。他補充說：“我們現在正在把這個概念運用到生產更高效率的能源設備上。”
傳統固態太陽能電池的核心部件有一個正-負極聯接，也就是正極半導體層和負電子層之間的聯接。當電池吸收來自太陽能的光子時，光子的能量會產生電子空穴對，這些空穴對在耗竭區分開，也就是微小的正負聯接區，然后被收集為電力。然而，這個過程需要光子穿透耗竭區的物質。他們的能量也必須精確地匹配半導體的電子能帶隙能量，也就是半導體價帶和傳導能帶之間的差距，這里沒有電子狀態的存在。
“傳統固態光電器件可以產生的最大電壓等于其電子能隙，”賽德爾說，“即使是所謂的串聯細胞，其中有一些半導體正負聯接的堆積，他們能產生的光電電壓也是有限的，因為光穿透的深度是有限的。”
研究人員發現，用白光照射鉍鐵氧體可以在1至2納米寬的微觀區域內產生光電電壓。這種電壓顯著高于鉍鐵氧體的電子帶隙。“鉍鐵氧體帶隙能量相當于2.7伏特。而測試表明，我們的新方法可以在200微米的距離內產生約16伏特的電壓。此外，這個電壓在原則上是線性可擴展的，這意味著其中的距離越大，可產生的電壓也就越高。”
新方法還采用了光伏發電疇壁，這些疇壁通過多鐵氧體材料的二維薄層作為過渡區，可分開不同的鐵電或鐵磁性能。鉍鐵氧體的極化方向在疇壁上發生改變，從而可以產生靜電勢。該材料的菱形晶體能夠被誘導形成疇壁，可以71度、109度或180度地改變電場極化，從而產生光伏效應。
賽德爾和他的同事們還可以使用200伏的電脈沖來扭轉光伏效應的極性或將其完全關閉。這種光伏效應的可控性從來沒有在傳統的光伏系統中出現，這種新方法為納米光學和納米電子學的新應用鋪平了道路。
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