華人科學(xué)家可以將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提高多達(dá)250％
華人科學(xué)家可以將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提高多達(dá)250％
羅切斯特大學(xué)的華人科學(xué)家提出了一種構(gòu)建鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新方法
在鈣鈦礦下涂上一層金屬可以將半導(dǎo)體材料的光轉(zhuǎn)換效率提高多達(dá)250%
研究人員正在競(jìng)相尋找新的、更穩(wěn)定的鈣鈦礦材料
美國(guó)羅切斯特大學(xué)的一個(gè)研究小組提出了一種新穎的、基于物理學(xué)的方法，該方法使用一層金屬的基板或金屬和介電材料的交替層用于鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池。 研究人員通常在潮濕的實(shí)驗(yàn)室中合成鈣鈦礦，然后將材料作為薄膜應(yīng)用于玻璃基板上并探索各種應(yīng)用。
他們報(bào)告的研究結(jié)果已發(fā)表在《Nature Photonics》上。
硅是用于許多應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體材料 - 計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU），存儲(chǔ)器和半導(dǎo)體芯片，探測(cè)器。也是一種太陽(yáng)能電池的豐富天然材料。然而，開(kāi)采和凈化的成本很高。
鈣鈦礦 - 一系列因其晶體結(jié)構(gòu)而昵稱(chēng)的材料 - 近年來(lái)顯示出非凡的前景，作為太陽(yáng)能電池和探測(cè)器中硅的更便宜，成為同樣有效的替代品。
由羅切斯特大學(xué)光學(xué)教授郭春雷領(lǐng)導(dǎo)的研究表明，鈣鈦礦可能會(huì)變得更加高效。
相反，郭提出了一種新的、基于物理學(xué)的方法。通過(guò)使用一層金屬或金屬和介電材料交替層（而不是玻璃）的基板，他和他的合著者發(fā)現(xiàn)他們可以將鈣鈦礦的光轉(zhuǎn)換效率提高250%。
郭實(shí)驗(yàn)室的這張插圖顯示了鈣鈦礦材料（青色）和金屬介電材料基板之間的相互作用。紅色和藍(lán)色配對(duì)是電子-空穴對(duì)。從基板反射的鏡像降低了鈣鈦礦中激發(fā)的電子與其原子核重新結(jié)合的能力，從而提高了鈣鈦礦收集太陽(yáng)光的效率。
郭指出，在鈣鈦礦中沒(méi)有其他人得出過(guò)這種觀察結(jié)果。突然之間，他們可以在鈣鈦礦下放置一個(gè)金屬平臺(tái)，徹底改變鈣鈦礦內(nèi)電子的相互作用。因此，他們使用物理方法來(lái)設(shè)計(jì)這種相互作用。
新穎的鈣鈦礦-金屬組合創(chuàng)造了“許多令人驚訝的物理學(xué)”
金屬可能是自然界中*簡(jiǎn)單的材料，但它們可以制成以獲得復(fù)雜的功能。郭實(shí)驗(yàn)室在這一領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)創(chuàng)了一系列技術(shù)，將簡(jiǎn)單金屬轉(zhuǎn)化為漆黑、超親水（吸水）或超疏水（憎水）。在他們*近的研究中，增強(qiáng)的金屬已用于太陽(yáng)能吸收和水凈化。
在這篇新論文中，Guo實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有提出一種增強(qiáng)金屬本身的方法，而是展示了如何使用金屬來(lái)提高鈦礦的效率。
一塊金屬可以做與濕實(shí)驗(yàn)室中復(fù)雜的化學(xué)工程一樣多的工作，這項(xiàng)新研究可能對(duì)未來(lái)的太陽(yáng)能收集特別有用。
郭解釋說(shuō)，在太陽(yáng)能電池中，來(lái)自太陽(yáng)光的光子需要與電子相互作用并激發(fā)電子，導(dǎo)致電子離開(kāi)其原子核并產(chǎn)生電流。理想情況下，太陽(yáng)能電池將使用弱材料將激發(fā)的電子拉回原子核并停止電流。
郭教授的實(shí)驗(yàn)室證明，通過(guò)將鈣鈦礦材料與金屬層或由銀（貴金屬）和氧化鋁（電介質(zhì)）交替層組成的超材料基板相結(jié)合，可以在很大程度上防止這種復(fù)合。
結(jié)果是通過(guò)“許多令人驚訝的物理學(xué)”顯著減少了電子復(fù)合。實(shí)際上，金屬層充當(dāng)鏡子，它產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)的反向圖像，削弱電子與空穴重新結(jié)合的能力。
該實(shí)驗(yàn)室能夠使用一個(gè)簡(jiǎn)單的探測(cè)器來(lái)觀察光轉(zhuǎn)換效率提高250%。
在鈣鈦礦應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用之前，必須解決幾個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是它們相對(duì)快速地降解的趨勢(shì)。目前，研究人員正在競(jìng)相尋找新的、更穩(wěn)定的鈣鈦礦材料。
合作者包括Kwang Jin Lee，Ran Wei，Jihua Zhang和Mohamed Elkabbash，他們都是郭教授實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)任和前任成員，以及中國(guó)長(zhǎng)春光學(xué)，精密機(jī)械和物理研究所的Ye Wang，Wenchi Kong，Sandeep Kumar Chamoli，Tao Huang和Weili Yu。
羅切斯特大學(xué)光學(xué)教授郭春雷
隨著這項(xiàng)研究得到測(cè)試和復(fù)制，這項(xiàng)工作獲得了技術(shù)突破。鈣鈦礦剛剛獲得的巨大的能量，它將可以用于今后更多的研究。
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