新型同素異形體矽材料推進太陽能電池革新

2020-11-28 OFweek維科網

　　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。

　　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。

　　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！」

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