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日前，美國佩恩（Penn）大學和德雷克塞爾（Drexel ）大學聯(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，因為最終證實這類效應(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，該方案還可規(guī)避“肖克利·奎伊瑟效率極限”（Shockley-Queisser Limit），即在電子在排隊等待跳躍的期間，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粉末，混合在一起，在爐中加熱，直至兩者發(fā)生化學反應(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。
實驗室中制作出的鈣鈦礦晶
“設(shè)計中面臨的主要挑戰(zhàn)即確定材料能否在吸收可見光的同時依然保留極性屬性。” 戴維斯（Davis)說道，“據(jù)理論計算顯示，新材料中互相排斥的屬性組合其實能夠趨于穩(wěn)定。”
這是一種被成為“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稱型的晶體結(jié)構(gòu)——可令原子在固定的版圖內(nèi)反復上、下、左、右的移動。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，對于原子而言，并無一個終極流動的方向。
鈣鈦礦晶體的金屬原子均具有相同的立方晶格，每個晶格內(nèi)包含一個八面結(jié)構(gòu)的氧原子，而每個氧原子內(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，“看似非常復雜，其實當你擁有一種含有兩種金屬元素及氧元素的材料之時，這類現(xiàn)象便會在大自然一直出現(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)勢又增加了一項。
斯帕尼爾（Spanier）指出：“‘母’材料的帶隙在紫外線范圍之中。不過，只有增加10%的鎳鈮酸鋇，帶隙就會移向可見光范圍，令轉(zhuǎn)換效率接近理想的位置。這是一個可行的方案。隨著我們增添更多的鎳鈮酸鋇，帶隙在可見光范圍內(nèi)仍可發(fā)生變化。”
另一個解決肖克利·奎伊瑟效率極限不利影響的方案即將數(shù)個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)有價值的光子。連續(xù)層的帶隙愈來愈低，獲得每個光子總絕大部分的能源。不過，這一切會增加整體的復雜性以及光伏電池的生產(chǎn)成本。
“整個材料家族貫穿整個太陽能光譜。” 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，“因為它包含廉價無毒且充足的元素——這點絕非目前運用于薄膜光伏電池技術(shù)中的化合物半導體材料可比。”
該研究由佩恩大學文理學院（Penn's School of Arts and Sciences）化學系教授Andrew M. Rappe及研究專員Ilya Grinberg領(lǐng)導，連同工程與應(yīng)用科學部主席Peter K. Davies及德雷克塞爾（Drexel）大學材料科學與工程系教授Jonathan E. Spanier聯(lián)合完成。論文報告已發(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)化機構(gòu)、美國能源部旗下的基礎(chǔ)科學辦公室、美國陸軍研究辦公室、工程教育協(xié)會及海軍研究辦公室以及國家科學基金會聯(lián)合支持。此外，化學系的Gaoyang Gou、材料科學與工程系的D. Vincent West、David Stein及Liyan Wu以及來自德雷克塞爾大學的Maria Torres、Andrew Akbashev、Guannan Chen以及 Eric Gallo對此研究亦有貢獻。
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