柔性光伏效应将更多能量从太阳能电池中挤出

这是艺术家的印象，即通过使光伏电池使用的半导体中的每个晶体发生物理变形，从而从太阳能电池中挤出更多的能量。华威大学/马克·加里克

华威大学的物理学家已在Journal Science上发表了一项新研究，该研究可以通过使光伏电池使用的半导体中的每种晶体发生物理变形，从字面上从太阳能电池中挤出更多的能量。题为“柔韧性-光伏效应”的论文是由沃里克大学物理系的Marin Alexe教授，Yang-Min Yang和Dong Dong Kik Kim撰写的。

Warwick研究人员研究了大多数商用太阳能电池当前设计的物理限制条件，这些限制条件对其效率造成了绝对限制。大多数商用太阳能电池由两层组成，这两层在它们的边界处形成两种半导体之间的结，p型带正电荷载流子（可被电子填充的孔），n型带负电荷载流子（电子）。当吸收光时，两个半导体的结会维持一个内部电场，将光激发载流子沿相反方向分裂，从而在结处产生电流和电压。没有这样的结，就无法收集能量，光激发的载流子将迅速地重新结合而消除任何电荷。

两种半导体之间的结对从此类太阳能电池中获取功率至关重要，但它存在效率限制。此Shockley-Queisser极限意味着，在理想条件下，落在理想太阳能电池上的阳光中所包含的所有功率中，最多只能将33.7％转化为电能。

但是，还有另一种方式，某些材料可以收集由太阳光子或其他地方产生的电荷。整体光伏效应发生在某些半导体和绝缘体中，它们在中心点附近缺乏完美的对称性（它们的非中心对称结构），因此产生的电压实际上可能大于该材料的带隙（带隙为间隙）价带的电子能量的最高价带（其中电子通常在绝对零温度下存在）和可以流动电流的导带之间）。不幸的是，已知表现出异常光伏效应的材料具有非常低的发电效率，并且从未在实际的发电系统中使用。

Warwick团队想知道是否有可能采用在商用太阳能电池中有效的半导体并以某种方式操纵或推动它们，以便它们也可能被迫成为非中心对称结构，因此也可能受益于整体光伏效应。在本文中，他们决定尝试使用原子力显微镜设备的导电尖端将此类半导体真正地成形为“纳米压头”，然后将其用于挤压和变形钛酸锶（SrTiO3），二氧化钛（TiO2）的单晶。 ，以及硅（Si）。他们发现，所有这三个组件都可以通过这种方式变形，从而也为它们提供非中心对称的结构，并且它们确实能够提供整体光伏效应。

华威大学的马林·阿列克谢教授说：

“扩大可以从整体光伏效应中受益的材料的范围具有几个优点：无需形成任何种类的结；可以选择任何具有更好吸光率的半导体作为太阳能电池，最后，可以克服功率转换效率的最终热力学极限，即所谓的Shockley-Queisser极限。工程上存在挑战，但应该有可能创建太阳能电池，在该太阳能电池中，一个简单的基于玻璃的尖端区域（每平方厘米1亿个）可以保持张紧状态，以充分变形每个半导体晶体。如果这样的未来工程可以提高效率甚至只增加一个百分点，那么对太阳能电池制造商和电力供应商来说将具有巨大的商业价值。”

出版物：Yang Ming-Min Yang等人，“柔性光伏效应”，科学，2018年4月19日：eaan3256； DOI：10.1126 / science.aan3256