就太陽能電池板的功能而言，盡可能的將更多的光子轉(zhuǎn)換為能源乃大勢(shì)所趨。一直以來，化學(xué)、材料科學(xué)以及電子工程領(lǐng)域的研究人員孜孜不倦尋求提高光伏設(shè)備能源吸收的效率，不過當(dāng)前技術(shù)仍受制于部分物理定律。

日前，美國佩恩(Penn)大學(xué)和德雷克塞爾(Drexel)大學(xué)聯(lián)合宣布研發(fā)出太陽能電池的新模式。該模式不僅有望削減光伏電池的制造成本，令其更易于生產(chǎn)，還可提高其轉(zhuǎn)換效率。

目前光伏電池均以同一種模式展開工作：吸收光線，再激發(fā)電子，令它們流向特定的方向。這種流動(dòng)的電子被成為電流。然而，為了達(dá)成一致的路線或電極，太陽能電池的制作離不開兩種材料：吸收光線的材料與導(dǎo)電的材料。一旦一個(gè)受激發(fā)的電子跨越前者到后者，就無法折回。

拉佩(Rappe)表示：“不過，世界上存在一小類材料，一旦受到光線的照耀，電子即流向某個(gè)特定的方向，無需從一種材料跨向另一種材料。”

“我們稱之為光伏本體效應(yīng)，而非發(fā)生在現(xiàn)有光伏電池中的‘接口’效應(yīng)。這類現(xiàn)象早于上世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn)，不過我們并沒有采用這類方式生產(chǎn)太陽能電池，因?yàn)樽罱K證實(shí)這類效應(yīng)只可將紫外光線轉(zhuǎn)換為能源，而絕大部分能源來自太陽光線中的可見光與紅外光譜。”

基于此，尋找一種存在于光伏本體效應(yīng)中的材料即可大幅簡(jiǎn)化光伏電池的生產(chǎn)流程。而且，該方案還可規(guī)避“肖克利˙奎伊瑟效率極限”(Shockley-QueisserLimit)，即在電子在排隊(duì)等待跳躍的期間，部分光子的轉(zhuǎn)換能源會(huì)丟失。

拉佩聲稱：“想象一下，來自太陽的光子如雨般落在你身上，不同頻率的光線就如同類型各異的貨幣：便士、鎳幣及硬幣等。此時(shí)，吸收光線的材料可稱為‘能帶隙’——決定你最終獲得的‘面額’。”

何謂“肖克利˙奎伊瑟效率極限”?通俗的講，你最終抓住的面值只能是能帶隙可容納的最低數(shù)值。目前光伏本體效應(yīng)中并無合適的材料。憑借專業(yè)的材料積淀，研究小組已研制出一種新型模式，并已測(cè)量其屬性。

早在5年前，該研究小組就已啟動(dòng)理論工作，描繪出這一新型化合物的具體屬性。每個(gè)化合物始于一個(gè)“母”材料，該材料向最終的材料注入光伏本體效應(yīng)中的極性方面。所謂“母”材料，即能夠削減化合物帶隙的材料。

隨后，這兩種材料均被研磨稱細(xì)粉末，混合在一起，在爐中加熱，直至兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。最終得到的結(jié)晶具有“母”材料的結(jié)構(gòu)，但關(guān)鍵部位擁有來自最終材料的元素，從而使其能夠吸收可見光。

“設(shè)計(jì)中面臨的主要挑戰(zhàn)即確定材料能否在吸收可見光的同時(shí)依然保留極性屬性。”戴維斯(Davis)說道，“據(jù)理論計(jì)算顯示，新材料中互相排斥的屬性組合其實(shí)能夠趨于穩(wěn)定。”

這是一種被稱為“鈣鈦礦型晶體”的結(jié)構(gòu)。絕大部分吸光材料都具有這種對(duì)稱型的晶體結(jié)構(gòu)——可令原子在固定的版圖內(nèi)上、下、左、右的反復(fù)移動(dòng)。這類功能可令材料變成非極性，且從電子的角度而言，所有方向均看起來相似。因此，對(duì)于原子而言，并無一個(gè)終極流動(dòng)的方向。

鈣鈦礦晶體的金屬原子均具有相同的立方晶格，每個(gè)晶格內(nèi)包含一個(gè)八面結(jié)構(gòu)的氧原子，而每個(gè)氧原子內(nèi)卻含有另一類型的金屬原子。這兩種金屬元素之間的關(guān)系可令它們偏離中心，從而使得整個(gè)結(jié)構(gòu)具有方向性——富有極性。

“所有好的極性或鐵電體材料均具有這種晶體結(jié)構(gòu)。”拉佩表示，“看似非常復(fù)雜，其實(shí)當(dāng)你擁有一種含有兩種金屬元素及氧元素的材料之時(shí)，這類現(xiàn)象便會(huì)在大自然一直出現(xiàn)。”

經(jīng)過數(shù)次特定鈣鈦礦型晶體生產(chǎn)失敗之后，研究小組成功研制出包含鈮酸鉀、母材料、極性材料以及鎳鈮酸鋇的具有帶隙的終極產(chǎn)品。

研究小組首先使用X射線晶體技術(shù)及拉曼散射技術(shù)來生產(chǎn)出對(duì)稱型晶體結(jié)構(gòu)。隨后，他們調(diào)查該結(jié)構(gòu)的可切換極性與帶隙，明確該結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生光伏體效應(yīng)，增加打破肖克利˙奎伊瑟效率極限”的可能性。

此外，倘若最終產(chǎn)品帶隙的大小能夠受到鎳鈮酸鋇百分比的影響，那么相比于界面太陽能電池，該產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)又增加了一項(xiàng)。

斯帕尼爾(Spanier)指出：“‘母’材料的帶隙在紫外線范圍之中。不過，僅增加10%的鎳鈮酸鋇，帶隙就會(huì)移向可見光范圍，令轉(zhuǎn)換效率接近理想的位置。這是一個(gè)可行的方案。隨著我們?cè)鎏砀嗟逆団壦徜^，帶隙在可見光范圍內(nèi)仍可發(fā)生變化。”

另一個(gè)解決肖克利˙奎伊瑟效率極限不利影響的方案即將數(shù)個(gè)帶有不同帶隙的太陽能電池有效有序的累積在一起。

這些多結(jié)光伏電池具有高帶隙的頂層，能夠捕捉絕大多數(shù)有價(jià)值的光子。連續(xù)層的帶隙愈來愈低，獲得每個(gè)光子總絕大部分的能源。不過，這一切會(huì)增加整體的復(fù)雜性以及光伏電池的生產(chǎn)成本。

“整個(gè)材料家族貫穿整個(gè)太陽能光譜。”拉佩解釋道，“基于此，我們能夠成長出一種材料，且慢慢的改變?yōu)榛衔?，從而令一個(gè)單一材料的性能類似于多結(jié)光伏電池。”

“材料家族這一成果非同凡響。”斯帕尼爾說道，“因?yàn)樗畠r(jià)無毒且充足的元素——這點(diǎn)絕非目前運(yùn)用于薄膜光伏電池技術(shù)中的化合物半導(dǎo)體材料可比。”

該研究由佩恩大學(xué)文理學(xué)院(Penn'sSchoolofArtsandSciences)化學(xué)系教授AndrewM.Rappe及研究專員IlyaGrinberg領(lǐng)導(dǎo)，連同工程與應(yīng)用科學(xué)部主席PeterK.Davies及德雷克塞爾(Drexel)大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授JonathanE.Spanier聯(lián)合完成。論文報(bào)告已發(fā)表在《自然》雜志上。

該研究受到本˙富蘭克林科技合作伙伴旗下的能源商業(yè)化機(jī)構(gòu)、美國能源部旗下的基礎(chǔ)科學(xué)辦公室、美國陸軍研究辦公室、工程教育協(xié)會(huì)及海軍研究辦公室以及國家科學(xué)基金會(huì)聯(lián)合支持。此外，化學(xué)系的GaoyangGou、材料科學(xué)與工程系的D.VincentWest、DavidStein及LiyanWu以及來自德雷克塞爾大學(xué)的MariaTorres、AndrewAkbashev、GuannanChen以及EricGallo對(duì)此研究亦有貢獻(xiàn)。