科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵電材料有望提高太陽能電池效率
[導(dǎo)讀]美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員揭開了鐵電材料在光照條件下產(chǎn)生高壓電的秘密。該研究發(fā)表在《物理評論快報》上。鐵電材料是指具有鐵電效應(yīng)的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支。
美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員揭開了鐵電材料在光照條件下產(chǎn)生高壓電的秘密。該研究發(fā)表在《物理評論快報》上。鐵電材料是指具有鐵電效應(yīng)的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支。鐵電材料及其應(yīng)用研究已成為凝聚態(tài)物理、固體電子學(xué)領(lǐng)域最熱門的研究課題之一。
科學(xué)家已經(jīng)了解到鐵電材料的原子結(jié)構(gòu)可以使其自發(fā)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，但至今尚不清楚光電過程是如何在鐵電材料中發(fā)生的。如果能夠理解這一光電機制并應(yīng)用于太陽能電池，將能有效地提高太陽能電池的效率。
研究人員所采用的鐵電材料是鉍鐵酸鹽薄膜（BFO）。這種特別制作的薄膜有著不同尋常的特性，在數(shù)百微米的距離內(nèi)整齊而有規(guī)律地排列著不同的電疇。電疇為條狀，每個電疇寬為50納米到300納米，疇壁為2納米，相鄰電疇的極性相反。這樣研究人員就可以清楚地知道內(nèi)置電場的精確位置及其電場強度，便于在微觀尺度上開展研究，同時也避免了雜質(zhì)原子環(huán)繞及多晶材料所造成的誤差。
當(dāng)研究人員用光照射鉍鐵酸鹽薄膜時，獲得了比材料本身的帶隙電壓高很多的電壓，說明光子可釋放電子，并在疇壁上形成空穴，這樣即使沒有半導(dǎo)體的P—N結(jié)構(gòu)，也可形成垂直于疇壁的電流。通過各種試驗，研究人員確定疇壁在提高電壓上具有十分重要的作用。據(jù)此他們開發(fā)出一種模型，可令極性相反的電疇制造出多余的電荷，并能傳遞到相鄰的電疇。這種情況有點像傳遞水桶的過程，隨著多余電荷不斷注入鋸齒狀相鄰的電疇，電壓可逐級顯著增加。
在疇壁的兩側(cè)，由于電性相反，就可形成電場，使載電體分離。在疇壁的一側(cè)，電子堆積，空穴互相排斥；而另一側(cè)則空穴堆積，電子互相排斥。太陽能電池之所以會損失效率，是由于電子和空穴會迅速結(jié)合，但是這種情況不會在鉍鐵酸鹽薄膜上出現(xiàn)，因為相鄰的電疇極性相反。根據(jù)同性相斥，異性相吸的原理，電子和空穴會沿相反的方向運動，而由于電子的數(shù)量遠(yuǎn)超空穴的數(shù)量，所以多余的電子會溢出到相鄰的電疇。
鉍鐵酸鹽薄膜本身并不是一種很好的太陽能電池材料，因為它只對藍(lán)色和近紫外線發(fā)生反應(yīng)，而且在其產(chǎn)生高電壓的同時，并不能產(chǎn)生足夠高的電流。但是研究人員確信，在任何具有鋸齒狀結(jié)構(gòu)的鐵電材料中，類似的過程也會發(fā)生。
目前研究人員正在調(diào)查和研究其他更好的替代材料。他們相信，該技術(shù)如果應(yīng)用于太陽能電池，將使太陽能電池產(chǎn)生較高的電流，并能大幅提升太陽能電池的效率，有望生產(chǎn)出性能強大的太陽能電池。
科學(xué)家已經(jīng)了解到鐵電材料的原子結(jié)構(gòu)可以使其自發(fā)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，但至今尚不清楚光電過程是如何在鐵電材料中發(fā)生的。如果能夠理解這一光電機制并應(yīng)用于太陽能電池，將能有效地提高太陽能電池的效率。
研究人員所采用的鐵電材料是鉍鐵酸鹽薄膜（BFO）。這種特別制作的薄膜有著不同尋常的特性，在數(shù)百微米的距離內(nèi)整齊而有規(guī)律地排列著不同的電疇。電疇為條狀，每個電疇寬為50納米到300納米，疇壁為2納米，相鄰電疇的極性相反。這樣研究人員就可以清楚地知道內(nèi)置電場的精確位置及其電場強度，便于在微觀尺度上開展研究，同時也避免了雜質(zhì)原子環(huán)繞及多晶材料所造成的誤差。
當(dāng)研究人員用光照射鉍鐵酸鹽薄膜時，獲得了比材料本身的帶隙電壓高很多的電壓，說明光子可釋放電子，并在疇壁上形成空穴，這樣即使沒有半導(dǎo)體的P—N結(jié)構(gòu)，也可形成垂直于疇壁的電流。通過各種試驗，研究人員確定疇壁在提高電壓上具有十分重要的作用。據(jù)此他們開發(fā)出一種模型，可令極性相反的電疇制造出多余的電荷，并能傳遞到相鄰的電疇。這種情況有點像傳遞水桶的過程，隨著多余電荷不斷注入鋸齒狀相鄰的電疇，電壓可逐級顯著增加。
在疇壁的兩側(cè)，由于電性相反，就可形成電場，使載電體分離。在疇壁的一側(cè)，電子堆積，空穴互相排斥；而另一側(cè)則空穴堆積，電子互相排斥。太陽能電池之所以會損失效率，是由于電子和空穴會迅速結(jié)合，但是這種情況不會在鉍鐵酸鹽薄膜上出現(xiàn)，因為相鄰的電疇極性相反。根據(jù)同性相斥，異性相吸的原理，電子和空穴會沿相反的方向運動，而由于電子的數(shù)量遠(yuǎn)超空穴的數(shù)量，所以多余的電子會溢出到相鄰的電疇。
鉍鐵酸鹽薄膜本身并不是一種很好的太陽能電池材料，因為它只對藍(lán)色和近紫外線發(fā)生反應(yīng)，而且在其產(chǎn)生高電壓的同時，并不能產(chǎn)生足夠高的電流。但是研究人員確信，在任何具有鋸齒狀結(jié)構(gòu)的鐵電材料中，類似的過程也會發(fā)生。
目前研究人員正在調(diào)查和研究其他更好的替代材料。他們相信，該技術(shù)如果應(yīng)用于太陽能電池，將使太陽能電池產(chǎn)生較高的電流，并能大幅提升太陽能電池的效率，有望生產(chǎn)出性能強大的太陽能電池。
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