Science:“机械破坏法”进一步提高了太阳能电池的转换率

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2018年4月19日，华威大学物理学家的新研究发表在《科学》杂志(在期刊的首页面)——通过对光伏电池使用的半导体中的每个晶体进行变形，可以从太阳能电池中获取更多的能量。

      这篇标题为“柔性光电效应”的论文作者是Marin Alexe教授、Ming-Min Yang和Dong Jik Kim，他们都来自华威大学物理系。

       目前，华威大学的研究人员考察了大多数商业太阳能电池在物理上的一些限制，而这些商业电池材料大大的限制了电池的利用率。在两种半导体之间，大多数具有两层的商业太阳能电池会在其边界上形成一种联接，而这两种半导体分别是带正电荷载流子的P型(可以由电子填充的孔)和带负电荷载流子(电子)的N型。

      当光被吸收时，两个半导体的联接处会保留一个内部磁场，而这个内部磁场会使得光激发的载流子在相反的方向发生分裂，从而在联接处产生电流和电压。如果没有这样的联接点，能量就无法采集，而光激发的载流子将会简单地快速重组，然后电荷就会消失。

      这两个半导体之间的联接点对于从这样的太阳能电池中获取能量至关重要，但是它在效率上存在限制。这个Shockley-Queisser极限意味着在理想条件下，当所有太阳光能量照射在一个理想的太阳能电池上时，最多只有33.7％的太阳能可以转化为电能。

      然而，还有一些其它的方法，一些材料可以收集太阳光子产生的或者其他地方的光子产生的电荷。在某些中心点周围缺乏完美对称的（非中心对称结构)半导体和绝缘体中发生的光伏效应会产生电压，而这种电压实际上可能大于该材料的带隙 (这个带隙是位于绝对零摄氏度下被电子占满的最高能带和有电子流过的传导带之间的)。

     不幸的是，已知的具有异常光伏效应的材料具有非常低的发电效率，并且从未在实际的发电系统中使用。

      Warwick团队想知道，是否有可能利用在商业太阳能电池中有效的半导体，并以某种方式控制它们，使得它们也能被迫转变成非中心对称结构，并因此从整体光伏效应中获利。

      在这篇文章中，他们决定尝试通过从原子力显微镜设备到“纳米压痕”（这种纳米压痕会使钛酸锶(SrTiO3)、二氧化钛(TiO2)和硅(Si)的单晶体发生挤压和变形）的导电尖端，来逐渐使这种半导体的性状发生改变。

      他们发现，这三种物质都可以通过这种方式变形，从而使它们获得一个非中心对称的结构，使得它们能够产生一个整体光电效应。

      华威大学的Marin Alexe教授说：“扩大从整体光电效应中受益的材料的范围有几个优点：1.不需要形成任何类型的联接；2.任何具有较好的光吸收的半导体都可以被选为太阳能电池材料；3.最后，可以克服能量转换率的热力学极限，即所谓的Shockley-Queisser极限。但仍然还存在一些工程上的挑战，但还是有可能制造出这样的太阳能电池，即一个简单的玻璃底部尖端(每平方厘米1亿个)可以保持足够的张力，从而充分地使每个半导体晶体发生变形。如果未来这样的工艺能够增加能源转换效率的一个百分点，那么太阳能电池制造商和电力供应商将会产生巨大的商业价值。”
www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180419141409.htm