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英国改良太阳能材料性质,盼突破太阳光电转换极限

导读: 英国华威大学近日成功改良太阳能板中的 N 型与 P 型半导体,可望进一步提升光电转换效率与电能。

英国华威大学近日成功改良太阳能板中的 N 型与 P 型半导体,可望进一步提升光电转换效率与电能。

根据发布在《Science》的论文,研究团队首先分析当今商业太阳能电池结构,指出不少结构限制太阳能电池效能。目前大多太阳能电池由两层组成,而具有正电荷载流子的 P 型半导体会跟负电荷 N 型半导体会在边界形成接面。

当阳光被电池吸收时,PN 接面会产生电子电洞对(electron-hole pair),在内建电场的作用下,受到刺激的电子和失去电子的电洞会朝相反方向移动,进而产生电流与电压。PN 接面为太阳能电池产电关键,但它具有效率限制,也就是传说中的萧基─奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit),即使在理想日照与温度环境,太阳能板最高也只能转换 33.7% 太阳光,因此团队想要找出是否有其他材料可以从光中获取能量。

团队原本想说可利用一些半导体与绝缘体的批量光伏效应(bulk photovoltaic effect),这些材料由于中心不对称性(non-centrosymmetric structure),产生的电压可能会大于材料能隙,但是目前已知材料发电效率相当低之外,也没有实际用于太阳光电系统中。因此研究试图改良商用太阳能电池半导体材料,让它们变成中心不对称结构。

为找出解决办法,研究希望能透过导电技术改变半导体形状,其测试设备从原子力学显微镜到纳米压痕试验机(nano-indenter)都采用过,试图挤压和变形钛酸锶(SrTiO3)、二氧化钛(TiO2)和矽。

团队则发现这 3 种材料皆可以透过导电方式变形并达到中心不对称,测试结果也显示材料能产生批量光伏效应。

华威大学的物理系教授 Marin Alexe 表示,该材料不需要形成任何接面就能产生电,光吸收良好的半导体也都可以做为太阳能电池材料,更重要的是,这项改良技术可以克服萧基─奎伊瑟极限。虽然工程上可能存有挑战,但简易玻璃制程也能让半导体晶体变型,可望制造更多电池。假如这项技术将来可提升太阳能效率,对太阳能电池制造商和电力供应商来说具有庞大商业价值。(来源:Technews科技新报)

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