一種直接帶隙同素異形體的新型矽材料將使太陽能電池發生徹底變革

2020-11-28 索比光伏網

美國的研究人員合成了一種直接帶隙同素異形體的新型矽材料。它結合了如砷化鎵的吸光能力和傳統矽材料的加工優勢，可能使太陽能電池和發光設備發生徹底變革。目前的合成流程長且昂貴，但研究人員認為這項技術能夠解決這個問題。

通過加熱趕走鈉原子，形成新的正交矽結構©NPG

矽材料是電子工業的支柱，但是通常的金剛石立方結構同素異形體具有間接帶隙。這意味著電子不能通過吸收或發射光子的形式在價帶和導帶間來回穿越，它們還需要聲子來節省動力。這降低了矽材料的吸收和發射光的效率。矽太陽能電池需要厚的矽晶片以吸收足夠的光，而LED則需要更昂貴的材料，如砷化鎵，有毒且易分解。

矽的四面體鍵結構促使其具有多種假想亞穩態結構，其中多個具有比基態略高的能量。在高壓環境下，能夠觀察到多個結構，其中四個在環境條件下是動態穩定的。在2013年，華盛頓卡內基研究的Timothy Strobel和 他的同事發現了Na4Si24。現在，他們發現，在真空下將Na4Si24加熱至400K，逐漸趕走鈉原子，得到了一種正交同素異形體的新型矽結構。理論計算和實驗表明，該材料在750K和10GPa下穩定存在，並且具有約1.3eV的直接帶隙，是一種理想的

光伏

電池材料。

新型Si24同素異形體是具有5-, 6- 和8-SP3鍵合矽環的開放式框架結構© Duck Young Kim

該材料當前僅生產粉末樣品，其複雜的製造過程顯然限制了它的工業應用。然而，Strobel樂觀地認為這些困難是可以克服的。他說，現在我們正在重點研究能夠形成優良性能單晶材料的方法。一旦我們能夠做到，我們才能真正確認該材料是否能為半導體技術帶來革命性發展。此外，如果我們能夠得到該晶體合理尺寸的基板，我們完全可以在任何高壓下生產該同素異形體，也能夠生產當前使用金剛石生產的多尺寸外延生長晶體。

美國南佛羅裡達大學物理學家George Nolas相信本文的最顯著之處在於它的新合成方法，他說，該方法可能用於其他開放式框架材料結構的合成。美國紐約州立大學石溪分校的電子結構理論學家Artem Oganov同樣稱讚這個製備材料的複雜方法。「現在的問題是：這種材料是否可以打敗矽材料。」他說，「如果不是，那麼這是一個很好的嘗試，這些反覆嘗試理所應當。如果是，那麼我們可以開香檳慶祝了!」

光伏行業最新動態，請關注索比光伏網微信公眾號：solarbe2005

投稿與新聞線索聯繫：010-68027865 劉小姐：news@solarbe.com

掃碼關注

相關焦點

  • 新型同素異形體矽材料推進太陽能電池革新
    美國的研究人員合成了一種直接帶隙同素異形體的新型矽材料。它結合了如砷化鎵的吸光能力和傳統矽材料的加工優勢，可能使太陽能電池和發光設備發生徹底變革。目前的合成流程長且昂貴，但研究人員認為這項技術能夠解決這個問題。　　矽材料是電子工業的支柱，但是通常的金剛石立方結構同素異形體具有間接帶隙。
  • 中科院李永舫等人:新型窄帶隙受體實現高性能串聯有機太陽能電池
    串聯有機太陽能電池（OSC）是基於單片連接兩個OSC的器件結構，現已被廣泛用作一種簡單而可靠的方法，以實現更高性能的OSC並更好地利用近紅外太陽能。在串聯OSC中，可以通過使用寬帶隙子電池收集高能光子和另一個窄帶隙子電池利用低能光子來有效地擴展吸收光譜的波長區域。
  • 知道氧氣的同素異形體嗎?可不止一種!
    談到氧氣，都知道是生命必須的物質之一，化學式為O2，氧氣在空氣中的含量約佔20%，等一些基本的常識了，那你知道氧氣的同素異形體有哪些嗎？第一種：臭氧臭氧（O）又稱為超氧，是氧氣（O）的同素異形體，在常溫下，它是一種有特殊臭味的淡藍色氣體。
  • 寬帶隙太陽能電池材料及其疊層器件研究獲進展
    北極星太陽能光伏網訊:聚合物太陽能電池具有質量輕、柔性及低成本等獨特的優勢，近10多年來受到世界各國科學工作者的廣泛關注。如何在拓寬材料分子吸收的同時，保持高開路電壓是有機光伏領域一個重要研究內容。採用疊層器件結構將兩個具有不同吸收範圍的單結電池串聯起來，可以同時實現寬吸收光譜與高開路電壓，是提升有機太陽能電池效率的有效方法之一。
  • 新型納米太陽能電池,汽車將無需汽油,只需一塊太陽能板!
    由於煤炭、汽油等消耗性資源不斷減少，急需開發一種新型能源，目前主要有太陽能，但是太陽能對陽光的利用率僅20%-20%，利用率比較低，低利用率限制了太陽能的發展，這個問題一直困擾著科學家們。近期挪威的一位科學家提出了一個解決方案，開發一款新型太陽能電池，利用高新納米技術，將兩種不同類型的光伏材料層結合起來，這樣會吸收更多的太陽能光線，從而提升利用率！這兩種材料包括第一層中的矽材料；第二層是氧化銅納米粒子，可以吸收光線中的藍色光。通過該技術可以將太陽光線的利用率提升至40%，足能夠提升一倍。但是目前還處於實驗階段，真正應用到現實生活中的時間也不會太遠！
  • 【科技日報】我科學家提出元素碳的一種新結構
    最近，中科院研究生院教授蘇剛及其博士生勝獻雷等人基於密度泛函第一性原理研究，設計提出了元素碳的一種新結構，該結構被命名為T型碳（T-carbon）。相關研究結果近日發表在國際著名期刊《物理評論快報》上。
  • 新研究發現從未見過的同素異形體「黑氮」 有助於解開元素周期表的...
    據外媒報導，拜羅伊特大學的研究人員創造了一種從未見過的氮的形式。這種新的物質被稱為「黑氮」，它是晶體狀的，以二維片狀的形式出現，有朝一日可能會被用於先進的電子領域。奇怪的是，黑氮不存在的想法一直以來都被認為是個謎。周期表是按特定的規律來排列的，每一列都是由化學性質相似的元素組成。
  • NREL在鈣鈦礦太陽能電池方面取得突破
    發表於：2019-04-30 17:47:21     作者：劉珊珊來源：索比光伏網美國能源部(DOE)國家可再生能源實驗室(NREL)的研究人員報告說，鈣鈦礦太陽能電池技術取得了重大突破，已接近其最高效率。電池效率的提高歸功於一個新的化學式，同時也改善了太陽能電池的結構和光電性能。
  • 太陽能電池的構成和相關材料
    太陽能發電作為清潔能源領域的「佼佼者」目前備受業界關注。如果對此感興趣，就帶你了解太陽能電池的構成和相關的光伏材料。
  • 新型太陽能電池設計與構造 | 《科學通報》專題
    作為能源技術的傑出代表，太陽能電池是利用P-N 結的光伏效應將太陽能直接轉化為電能的光電功能器件，是人類減緩乃至解決傳統化石能源的過度消耗及其環境汙染問題的重要選擇。傳統的高效矽太陽能電池由於矽材料純化與器件製備過程複雜，雖然已經發展了數十年，價格仍然非常昂貴，大大限制了其商業化進程。而其他化合物半導體(碲化鎘、銅銦鎵硒等)等第二代太陽能電池及其薄膜化技術的發展，有效降低了電池的綜合成本。
  • 從石墨與鑽石的同素異形體談領導能力的提升
    大家知道，光芒摧琛的鑽石和黑不溜秋的石墨可以說有著天壤之別，但實際上它們是同素異形體，都是由碳原子組成的不同形態。而且，石墨可以通過一定條件變成鑽石：HTHP(高溫高壓)法：在人造的高溫（3000℃以上）高壓（10GPa）環境下，將石墨進行相轉變
  • 【課堂】太陽能電池材料及半導體材料的介紹
    如果對此感興趣，就帶你了解太陽能電池的構成和相關的光伏材料。太陽能發電作為清潔能源領域的「佼佼者」目前備受業界關注。如果對此感興趣，就帶你了解太陽能電池的構成和相關的光伏材料。太陽能發電裝置，通常被稱為太陽能電池，能夠直接將太陽光能轉換為電能。在太陽能電池板中，太陽釋放的光子使半導體材料的外層電子脫離原子鍵的束縛。
  • 太陽能電池板:多晶矽、單晶矽和薄膜光伏
    從工業化發展來看，重心由單晶向多晶矽和薄膜方向發展，主要原因為；   [1]可供應太陽電池的頭尾料愈來愈少；   [2] 對太陽電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶矽可直接獲得方形材料；   [3]多晶矽的生產工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產周期（50小時）可生產200公斤以上的矽錠
  • 中科大學者研製出新型柔性太陽能電池
    納米砂磨機訊：中科大學者研製出新型柔性太陽能電池　 納米砂磨機訊：記者從中國科學技術大學獲悉，該校熊宇傑教授課題組基於應用廣泛的半導體矽材料，採用金屬納米結構的熱電子注入方法，近期設計出一種可在近紅外區域進行光電轉換且具有力學柔性的太陽能電池，國際重要化學期刊《德國應用化學》日前發表了該成果。
  • 中科院太陽能電池材料研究取得新進展
    中科院大連化學物理研究所潔淨能源國家實驗室太陽能研究部、催化基礎國家重點實驗室分子催化與原位表徵研究組（503組）李燦院士、張文華研究員領導的小組在太陽能電池新材料硒化錫（SnSe）的合成研究中取得進展。