美國研究小組展示光伏電池結(jié)構(gòu)的新架構(gòu)

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化光伏電池的生產(chǎn)流程。而且，該方法還可規(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，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，并已測量其屬性。

早在5年前，該研究小組就已啟動理論工作，描繪出這一新型化合物的具體屬性。每個化合物始于一個母材料，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。

實(shí)驗(yàn)室中制作出的鈣鈦礦晶

設(shè)計(jì)中面對的重要挑戰(zhàn)即確定材料能否在吸收可見光的同時依然保留極性屬性。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。