将光伏效应提升1000倍

《科学进展 - Science Advances》杂志最近发布的一篇论文显示，三层不同铁电晶体(在这种情况下是钛酸钡、钛酸锶和钛酸钙)的晶格排列，让太阳能电池的光伏效应提高1,000倍。

研究成果来自德国马丁路德大学哈雷-维滕贝格(MLU - Martin Luther University Halle-Wittenberg)。研究人员将三层不同铁电晶体(钛酸钡、钛酸锶和钛酸钙)的晶格重新排列，不同材料的超薄层结合起来产生了强大的太阳能光电效应，能升1,000 倍。

目前大多数太阳能电池都是硅基结构，研究认为，硅基太阳能的理论光电效率大约在29%左右，目前已接近极限。为了进一步提升光电转化效率，研究人员开始尝试砷化镓、叠层、多结、钙钛矿等新材料，铁电体就是一个方向。

铁电晶体与传统硅电池的不同之处在于它们不需要pn 结来产生光伏效应，不需要在电池内创建正掺杂层和负掺杂层。研究人员认为，铁电意味着材料在空间上分离了正电荷和负电荷，电荷分离导致不对称结构，光能转变成电能，这种变化可以使材料更容易发电。

钛酸钡就是一种铁电体材料，由钡和钛制成的混合氧化物，然而纯钛酸钡不会吸收太多阳光，它产生的光电流相对较低。MLU研究人员一直在试验用钛酸钡结合不同材料的超薄层，试图显著提高电池发电量。

研究人员将钛酸钡嵌入钛酸锶和钛酸钙之间，在电池中添加了一层薄的顺电层。尽管该层没有分离的电荷，但在某些条件下如在低温下或化学结构稍有改变时它可以变成铁电体。

当铁电层与两个不同的顺电层交替时，晶格层之间的相互作用似乎导致了更高的介电常数，光电子能够更容易地流动，产生了更强的光伏效应。

研究人员再将激光照射电池以测试新材料，结果令他们感到惊讶。与类似厚度的纯钛酸钡相比，尽管钛酸钡的比例减少了近三分之二，三种不同的材料在晶格中周期性排列，铁电材料与顺电材料交替使用，电流强度高达 1,000 倍。

与纯铁电体相比，层状结构在所有温度范围内都显示出更高的发电量，晶体也明显更耐用，不需要特殊包装。研究人员将进行进一步的研究，以准确找出导致超强光电效应的原因。