新的研究實現了太陽能電池更大的轉換效率

上圖是藝術家對這一現象的一種藝術化處理，通過對光伏電池所使用的半導體中的每一個晶體進行一定的物理變形，從而將更多的能量從太陽能電池中擠出。圖片來源：英國華威大學/ Mark Garlick

華威大學的物理學家近日在《科學》雜誌上發表了一項最新的研究（通過該雜誌的第一個版本頁），通過物理地破壞光伏電池中所使用的半導體的每一個晶體結構，從而可以從太陽能電池中擠出更多的能量。

這篇題為「柔光光伏效應」的論文是由Marin Alexe教授、Ming-Min Yang和Dong Jik Kim共同撰寫的，他們都是在華威大學物理系進行相關研究。

Warwick研究人員研究了目前大多數商業太陽能電池設計的物理約束，這些電池對其效率有絕對的限制。大多數商業太陽能電池是由兩層形成的，它們的邊界是兩種半導體之間的連接，具有正電荷載流子的p型（可以被電子填充的空穴）和帶負電荷載流子（電子）的n型。

當光被吸收時，兩個半導體的結維持內部場在相反方向上分裂光激發載流子，從而在結上產生電流和電壓。如果沒有這樣的連接，能量就無法被收集，光離開的載體將很快地重新組合，從而消除任何電荷。

這兩個半導體之間的連接是獲得這種太陽能電池的動力的基礎，但它具有效率限制。這個Shockley Queisser極限意味著在理想條件下太陽光落在理想太陽能電池中的所有功率只有最大33.7%可轉化為電能。

然而，有些材料可以收集太陽或其他地方的光子產生的電荷。塊狀光伏效應發生在某些半導體和絕緣體中，在它們的中心點（它們的非中心對稱結構）中缺乏完美對稱性，使得能夠產生比該材料的帶隙更大的電壓（帶隙為間隙）。在電子帶能量最高的範圍內，電子通常存在於絕對零度溫度和電能流動的導帶中。

不幸的是，已知的表現出反常光伏效應的材料具有非常低的發電效率，並且從未在實際發電系統中使用。

Warwick團隊想知道是否有可能採取已經有效用於商業太陽能電池中的半導體，通過某種方式操縱或推動他們，使他們也可以被迫形成一個非中心對稱結構，因此可能也受益於整體光伏效應。

對於這篇論文，他們決定用原子力顯微鏡設備的導電尖端將實現這些半導體的形變，然後用它們來擠壓和導致鈦酸鍶（SrTiO3）、二氧化鈦（TiO2）和硅（Si）等各種晶體的變形。

他們發現，所有三個都可以以這種方式變形，也給它們一個非中心對稱結構，並且它們確實能夠提供整體光伏效應。

來自華威大學的Marin Alexe教授說， 「體光伏效應獲益的材料的範圍擴大，將有幾個優點：不需要形成任何類型的結；任何具有更好的光吸收的半導體都可以被選擇用於太陽能電池，最後，功率轉換效率的熱力學極限。即可以克服所謂的肖克利奎伊瑟極限(（Shockley Queisser Limit）。當然這個過程中存在工程上的挑戰，但也是應該可以創建太陽能電池的，其中簡單的基於玻璃的尖端（一億厘米/秒）的場可以保持在張力下，以充分地形成每個半導體晶體。如果這種未來的工程能增加一個百分點的效率，它將對太陽能電池製造商和電力供應商具有巨大的商業價值。」

來源：https://phys.org/news/2018-04-literally-power-solar-cells.html

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