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新型鐵電材料也具光電效應(yīng)

2012-03-13 09:36

鐵電材料光伏機(jī)制

　　科學(xué)家認(rèn)為，鐵電材料在光照條件下可以產(chǎn)生很高的光伏電壓，而太陽電池的光伏電壓越高，代表著產(chǎn)生的電能越多，效率越高。但直到現(xiàn)在，沒有人能夠確切指出這種材料的光伏過程原理。美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室以及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員最近揭開了一種鐵電材料光伏過程的神秘面紗，并認(rèn)為這一原理適用于類似材料。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Physical Review Letters》上。研究受到美國能源部科學(xué)局Helios太陽能研究中心和伯克利實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)向研究開發(fā)項(xiàng)目的資助。

　　他們的研究對象是鉍鐵氧體（BFO）薄膜，這種薄膜具有特殊的周期性鐵電疇排列，排列長度超過幾百微米，鐵電疇呈長條狀，寬約50-300 nm，之間被寬約2 nm的疇壁分隔，相鄰鐵電疇的電極化方向相反。

　　在光線照射下，BFO薄膜產(chǎn)生的電流沿著與疇壁呈一定夾角的方向傳播。研究人員使用鉑電極對由此產(chǎn)生的電壓進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，電極距離越遠(yuǎn)，跨越的疇壁越多，則電壓越高，證明鐵電疇疇壁在增加電壓方面起重要作用。疇壁兩側(cè)相反電荷的集聚形成了電場，將鐵電疇中由光電效應(yīng)產(chǎn)生的載流子分開。疇壁兩側(cè)的電子與空穴為尋求配對，會(huì)離開疇壁向電場較弱的鐵電疇中部移動(dòng)。由于鐵電疇中光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子多于空穴，溢出的電子沿著同一方向從一個(gè)鐵電疇進(jìn)入相鄰鐵電疇，依次下去，這種傳遞方式類似桶隊(duì)列（bucket brigade）。隨著各鐵電疇貢獻(xiàn)的電荷越來越多，電壓也隨之升高，研究人員將其稱為“鋸齒電勢”（sawtooth potential）。

　　不過，BFO并不是太陽電池的良好候選材料，它只吸收藍(lán)色和近紫外光，此外，BFO的光子吸收效率在疇壁附近是最高的，可以產(chǎn)生很高的電壓，但是卻無法產(chǎn)生高電流，而后者也是良好的太陽電池材料所需要的。不過，研究人員認(rèn)為，類似的原理在其他具有“鋸齒電勢”材料中也應(yīng)該存在，甚至可能存在于更多材料中。

鐵電材料光伏機(jī)制光伏電壓