美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員最近揭開(kāi)了一種鐵電材料光伏過(guò)程的神秘面紗，并認(rèn)為這一原理適用于類似材料。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Physical Review Letters》上。研究受到美國(guó)能源部科學(xué)局Helios太陽(yáng)能研究中心和伯克利實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)向研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的資助。
他們的研究對(duì)象是鉍鐵氧體(BFO)薄膜，這種薄膜具有特殊的周期性鐵電疇排列，排列長(zhǎng)度超過(guò)幾百微米，鐵電疇呈長(zhǎng)條狀，寬約50-300nm，之間被寬約2nm的疇壁分隔，相鄰鐵電疇的電極化方向相反。
在光線照射下，BFO薄膜產(chǎn)生的電流沿著與疇壁呈一定夾角的方向傳播。研究人員使用鉑電極對(duì)由此產(chǎn)生的電壓進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，電極距離越遠(yuǎn)，跨越的疇壁越多，則電壓越高，證明鐵電疇疇壁在增加電壓方面起重要作用。疇壁兩側(cè)相反電荷的集聚形成了電場(chǎng)，將鐵電疇中由光電效應(yīng)產(chǎn)生的載流子分開(kāi)。疇壁兩側(cè)的電子與空穴為尋求配對(duì)，會(huì)離開(kāi)疇壁向電場(chǎng)較弱的鐵電疇中部移動(dòng)。由于鐵電疇中光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子多于空穴，溢出的電子沿著同一方向從一個(gè)鐵電疇進(jìn)入相鄰鐵電疇，依次下去，這種傳遞方式類似桶隊(duì)列(bucket brigade)。隨著各鐵電疇貢獻(xiàn)的電荷越來(lái)越多，電壓也隨之升高，研究人員將其稱為“鋸齒電勢(shì)”(saw tooth potential)。
不過(guò)，BFO并不是太陽(yáng)電池的良好候選材料，它只吸收藍(lán)色和近紫外光，此外，BFO的光子吸收效率在疇壁附近是最高的，可以產(chǎn)生很高的電壓，但是卻無(wú)法產(chǎn)生高電流，而后者也是良好的太陽(yáng)電池材料所需要的。不過(guò)，研究人員認(rèn)為，類似的原理在其他具有“鋸齒電勢(shì)”材料中也應(yīng)該存在，甚至可能存在于更多材料中。
