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运输属性

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半导体漏斗可以促进太阳能电池

04 Dec 2012
用于更好的太阳能电池的漏斗激子

美国和中国的研究人员的计算机模拟可能导致太阳能电池,可在广泛的太阳光谱上有效地工作。被称为A.“solar energy funnel”,新概念提供了一种使用应变来改变半导体的带隙的方法,使得它响应在不同波长范围内的光。但是,漏洞尚未在实验室中进行并测试–一些研究人员建议在实际设备中使用它们可能证明是有问题的。

太阳能电池的基本操作原理是半导体材料的价带中的电子吸收光子并跨越能量跳跃“band gap”进入导电带。结果是电子和带正电的孔,其不通过半导体分开移动,而是形成称为激子的结合状态。为了提取电能,电子在一个电极和另一个电极上收集电子。

来自太阳的光线来自一系列波长,因此在将这种广泛的光谱转化为电力时,理想的太阳能电池应该非常有效。不幸的是,具有固定带隙的半导体并不是很擅长这样做。特别地,更长波长的光子没有足够的能量来使电子跳跃带隙并且不会被转换成电能。具有能量大于带隙的光子将被转换,但无论他们的能量如何,它们都只会产生一个电子–孔对。任何过量的能量都会在半导体中消散作为热量。

调整带隙

围绕该问题的一种方法是创建包括多个半导体的级联太阳能电池,每个层具有不同的带隙。然而,这些都很复杂,生产昂贵。现在北京大学马萨诸塞州科技工业研究所的Ju李和同事’一位交通大学表示,他们已经提出了一种调整一层原子内的带隙的方法。该技术基于弹性应变工程,电子工业采用的方法提高硅晶体管的性能。

虽然硅晶体不足以维持制造更好太阳能电池所需的弹性应变,但是一些其他半导体是。例如,二硫化钼具有层状晶体结构–各个层非常强烈。该材料具有1.9的相对较大的带隙 EV以零菌株,因此大多数太阳能将通过而不被吸收。但是,当添加应变时,带隙连续收缩至1.1 eV –这与硅的相同。

该团队使用单层二硫化物的机械和电子性质的计算机模型进行了计算。在与原子力显微镜的尖端周期性地缩进的层上进行计算,然后在边缘处夹紧,以确保微小的凹口保持放置。计算表明,带隙会随着结构上的位置的函数周期性地变化。此外,模拟表明波浪带隙允许纸张吸收具有各种不同能量的光子和“funnel”所产生的激子朝向带隙最小的中心。该团队认为,这种定向漂移为光子提供了1.1之间具有能量的手段–2 通过在漏斗中的多个点收集激子来有效地收获EV。

驾驶激子

LI解释说,带隙中的该梯度将允许激子朝向电极驱动电磁。这将使它们能够比传统的太阳能电池设计更快地收集,其中激子散向电极。这可以使太阳能电池更有效,解释:“你想吸收光谱的不同部分,然后在重组之前收集激子琴,或者将它们失去对声子的能量”. “并拥有这个漏斗和这个激子漂移而不是随机兴奋步行将有助于这个激子收集过程,” he adds.

匹兹堡卡内基梅隆大学的迪晓大学对球队留下了深刻的印象’利用弹性应变预测连续带间隙改性。然而,他建议该集团将遇到对真实太阳能电池的研究进行实际困难,这往往比单层更厚,以最大化光吸收:“在传统的硅太阳能电池中…光线必须在该硅内行驶很长的路,所以它有更大的吸收机会。但是在一块单层,一旦它通过物质就消失了。”

另一名研究员,一个被要求不被命名的太阳能电池设计专家更持怀疑态度,怀疑该概念在太阳能电池中是实际应用,因为难以用原子单层停止光。他也怀疑通过使用太阳能漏斗法收获任何额外的能量是可疑的。

该研究发表在 Nature Photonics.

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