奧地利、美國及德國的物理學(xué)家近日提出了一種全新類型的光伏電池。該電池設(shè)計依據(jù)于十年前的發(fā)現(xiàn)，兩種絕緣氧化物的界面可變?yōu)榻饘傥镔|(zhì)，這可能使光伏電池不再需要金屬線。如果氧化物分層結(jié)構(gòu)的制造成本可以被削減，那么這項研究或許將催生一種全新類型的高效光伏電池片。

2004年，物理學(xué)家Harold Hwang與Akira Ohtomo做出了一項重大發(fā)現(xiàn)，當絕緣體鈦酸鑭生長于另一種絕緣體鈦酸鍶，那么2D電子氣相結(jié)合可生成金屬物質(zhì)。這一現(xiàn)象是極性氧化物與另一種非極性氧化物相遇并導(dǎo)致電荷累積而引發(fā)的。

導(dǎo)電界面

如今，來自維也納科技大學(xué)、橡樹嶺國家實驗室與德國伍茲堡大學(xué)(University of Wurzburg)的研究人員組成的團隊已進行了相關(guān)計算，并提議利用這種效應(yīng)制成一種全新類型的光伏電池——通過導(dǎo)電界面引導(dǎo)電流的產(chǎn)生，而非金屬線。

光伏電池的遠離是“光生伏特效應(yīng)”，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子(光波)轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程;其次，是形成電壓過程。

橡樹嶺國家實驗室的Satoshi Okamoto與其同事推斷，這或許將有助于電子與空穴在結(jié)合前互相分離。如果極性氧化物與一種合適的非極性氧化物相結(jié)合，那么界面就會變成金屬物。因此，電子與空穴可從任何一端導(dǎo)出，而表面也無需金屬線。

吸光率達到最大化

首先極性氧化物需要盡可能吸收最多的太陽能。某種物質(zhì)的帶隙是化合價與導(dǎo)帶證件的電能差。低于帶隙的光子無法創(chuàng)造出電子空穴對，而能源大于帶隙的光子可創(chuàng)造出電子空穴對。然而后者超過帶隙的電能會隨著熱量而喪失。因此，帶隙要低到足以吸收大量的光子。

因此研究人員“挑中了”釩酸鑭，其能帶間隙為1.1 eV ——可見光的能見帶隙在1.5-3.5 eV之間。他們采用密度泛函理論來建立生長于鈦酸鍶襯底的釩酸鑭光伏電池的模型。雖然他們無法就發(fā)電效率做出準確的預(yù)測，但研究人員表示這一固有的優(yōu)勢值得進一步的研究。

樂觀且謹慎

而這種光伏電池的效率能否具備經(jīng)濟可行性呢?Okamoto對此表示樂觀且持謹慎態(tài)度。他認為，這可能極具競爭力，但這還需要很長的一段時間。我希望當人們充分認識到這種光伏電池的優(yōu)勢之后，它的成本會隨之下降。

來自劍橋大學(xué)致力于創(chuàng)新光伏電池研發(fā)的Neil Greenham將這項發(fā)表于《物理評論快報》的研究成果描述為“一篇有趣的論文”，但他強調(diào)稱這種電池是否能超越目前的技術(shù)還有待產(chǎn)品原型的誕生。