Science：「機械破壞法」進一步提高了太陽能電池的轉換率

前言:物理學家發表了一項新的研究—通過機械作用使光伏電池所使用的半導體中的每一個晶體發生變形，可以從太陽能電池中獲取更多的能量。

華威大學的Marin Alexe教授

2018年4月19日，華威大學物理學家的新研究發表在《科學》雜誌(在期刊的首頁面)——通過對光伏電池使用的半導體中的每個晶體進行變形，可以從太陽能電池中獲取更多的能量。

這篇標題為「柔性光電效應」的論文作者是Marin Alexe教授、Ming-Min Yang和Dong Jik Kim，他們都來自華威大學物理系。

目前，華威大學的研究人員考察了大多數商業太陽能電池在物理上的一些限制，而這些商業電池材料大大的限制了電池的利用率。在兩種半導體之間，大多數具有兩層的商業太陽能電池會在其邊界上形成一種聯接，而這兩種半導體分別是帶正電荷載流子的P型(可以由電子填充的孔)和帶負電荷載流子(電子)的N型。

當光被吸收時，兩個半導體的聯接處會保留一個內部磁場，而這個內部磁場會使得光激發的載流子在相反的方向發生分裂，從而在聯接處產生電流和電壓。如果沒有這樣的聯接點，能量就無法採集，而光激發的載流子將會簡單地快速重組，然後電荷就會消失。

這兩個半導體之間的聯接點對於從這樣的太陽能電池中獲取能量至關重要，但是它在效率上存在限制。這個Shockley-Queisser極限意味著在理想條件下，當所有太陽光能量照射在一個理想的太陽能電池上時，最多只有33.7％的太陽能可以轉化為電能。

然而，還有一些其它的方法，一些材料可以收集太陽光子產生的或者其他地方的光子產生的電荷。在某些中心點周圍缺乏完美對稱的（非中心對稱結構)半導體和絕緣體中發生的光伏效應會產生電壓，而這種電壓實際上可能大於該材料的帶隙 (這個帶隙是位於絕對零攝氏度下被電子佔滿的最高能帶和有電子流過的傳導帶之間的)。

不幸的是，已知的具有異常光伏效應的材料具有非常低的發電效率，並且從未在實際的發電系統中使用。

Warwick團隊想知道，是否有可能利用在商業太陽能電池中有效的半導體，並以某種方式控制它們，使得它們也能被迫轉變成非中心對稱結構，並因此從整體光伏效應中獲利。

在這篇文章中，他們決定嘗試通過從原子力顯微鏡設備到「納米壓痕」（這種納米壓痕會使鈦酸鍶(SrTiO3)、二氧化鈦(TiO2)和硅(Si)的單晶體發生擠壓和變形）的導電尖端，來逐漸使這種半導體的性狀發生改變。

他們發現，這三種物質都可以通過這種方式變形，從而使它們獲得一個非中心對稱的結構，使得它們能夠產生一個整體光電效應。

華威大學的Marin Alexe教授說：「擴大從整體光電效應中受益的材料的範圍有幾個優點：1.不需要形成任何類型的聯接；2.任何具有較好的光吸收的半導體都可以被選為太陽能電池材料；3.最後，可以克服能量轉換率的熱力學極限，即所謂的Shockley-Queisser極限。但仍然還存在一些工程上的挑戰，但還是有可能製造出這樣的太陽能電池，即一個簡單的玻璃底部尖端(每平方厘米1億個)可以保持足夠的張力，從而充分地使每個半導體晶體發生變形。如果未來這樣的工藝能夠增加能源轉換效率的一個百分點，那麼太陽能電池製造商和電力供應商將會產生巨大的商業價值。」

原文來自：sciencedaily，原文題目：Squeezing more power out of solar cells，由材料科技在線團隊翻譯整理。

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