就太陽能電池板的功能而言，盡可能的將更多的光子轉換為能源乃大勢所趨。一直以來，化學、材料科學以及電子工程領域的研究人員孜孜不倦尋求提高光伏設備能源吸收的效率，不過當前技術仍受制于部分物理定律。

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，而非發(fā)生在現(xiàn)有光伏電池中的‘接口’效應。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只可將紫外光線轉換為能源，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-QueisserLimit)，即在電子在排隊等待跳躍的期間，部分光子的轉換能源會丟失。

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。最終得到的結晶具有“母”材料的結構，但關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。

“設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。”

這是一種被稱為“鈣鈦礦型晶體”的結構。絕大部分吸光材料都具有這種對稱型的晶體結構——可令原子在固定的版圖內(nèi)上、下、左、右的反復移動。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)包含一個八面結構的氧原子，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系可令它們偏離中心，從而使得整個結構具有方向性——富有極性。

“所有好的極性或鐵電體材料均具有這種晶體結構。”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射線晶體技術及拉曼散射技術來生產(chǎn)出對稱型晶體結構。隨后，他們調查該結構的可切換極性與帶隙，明確該結構能夠產(chǎn)生光伏體效應，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，僅增加10%的鎳鈮酸鋇，帶隙就會移向可見光范圍，令轉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衔铮瑥亩钜粋€單一材料的性能類似于多結光伏電池。”

“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'sSchoolofArtsandSciences)化學系教授AndrewM.Rappe及研究專員IlyaGrinberg領導，連同工程與應用科學部主席PeterK.Davies及德雷克塞爾(Drexel)大學材料科學與工程系教授JonathanE.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、美國能源部旗下的基礎科學辦公室、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GaoyangGou、材料科學與工程系的D.VincentWest、DavidStein及LiyanWu以及來自德雷克塞爾大學的MariaTorres、AndrewAkbashev、GuannanChen以及EricGallo對此研究亦有貢獻。