Science: 彎還是直, 這是一個問題, 從中國學生發現撓曲電光伏效應說開

2021-01-18 知社學術圈

海歸學者發起的公益學術平臺

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

簡 介

兩個看似並不關聯的現象，一篇漂亮的Science論文……Ideas  are cheap, 重要的是實現！


4月19日，Science上線一篇來自英國University of Warwick的研究論文，題目只有兩個字，Flexo-photovoltaic effect，報導了Marin Alexe教授組最新的研究成果，撓曲電光伏效應。論文的第一作者是來自中國的博士研究生楊明敏，曾在中國科學院上海矽酸鹽研究所讀研究生。

 

Alexe 和楊明敏

 

近些年Science和Nature發表的太陽能電池論文非常多，大多集中在金屬滷化物有機無機雜化體系。這篇Science論文則另闢蹊徑，研究了一類新型的體光伏效應(Bulk Photovoltaic, BPV)。與通常的基於pn結的太陽能電池不同，體光伏效應的開路電壓不受半導體帶隙限制，其效率也不受Shockley-Queisser極限約束，因此又被稱為反常光伏效應(Anomalous Photovoltaic,APV)。


體光伏效應簡單示意

 

體光伏效應通常發生在具有非中心對稱的晶體材料，因其光電子激發、散射、和弛豫在不同（相反）的晶格傳輸方向具有不同的概率而起，因而不需要pn結分離光生載流子。如上圖所示，電子可以從A吸收光子躍遷到B再至C，但反向傳輸因為從C躍遷到B的概率極低，幾乎不可能，因而產生定向光電流。由此可見，非中心對稱性是這類體光伏效應的必要條件。這也是為什麼體光伏效應通常出現在鐵電材料之中，如BaTiO3和 BiFeO3這樣的氧化物鈣鈦礦鐵電體。然而，這類材料通常是大帶隙的半導體，閉路電流很低，限制了其光伏轉換效率和實際應用。楊和Alexe的最新發現，為解決這一問題指引了方向。


撓曲電效應簡單示意

 

楊和Alexe的思路，是在具中心對稱性的材料中通過人工的方式引入對稱性破缺，從而誘導原本不可能的體光伏效應。其運用的撓曲電效應機制，也是近幾年大熱的研究領域，核心是通過應變梯度人工引入非中心對稱性和電極化，如上圖所示，可以直觀地通過彎曲形變實現。

 

應變分布及對應的極化旋轉

 

因此，撓曲電效應也被稱做彎電效應，是上世紀60年代由Mashkevich和Tolpygo首次提出的，其唯像理論最初由Kogan建立。對於塊體材料而言，該效應很小，因此早期的撓曲電研究多集中在細胞膜和液晶等柔性體系。本世紀初，賓州州立大學Eric Cross教授及其合作者、現汕頭大學的馬文輝教授發表一系列工作證實在異質材料體系中撓曲電效應顯著存在，引起材料科學界的重視和關注。2008年，現北京理工大學的洪家旺教授和David Vanderbilt教授發展了撓曲電效應的密度泛函理論，計算預測了一系列材料的撓曲電係數，將撓曲電效應建立在堅實的微觀物理基礎之上。2011年，Catalan和Noheda運用透射電鏡直接觀測到鐵電薄膜界面處的應變梯度和由其引起的極化旋轉，如上圖所示，文章發表於Nature Materials。人們意識到，在納米尺度，撓曲電效應不可忽略，並可用於提升材料性能。


撓曲電光伏效應

 

楊明敏和Alexe則將撓曲電效應開創性地用於體光伏效應。如上圖所示，其數據相當乾淨清晰。他們採用原子力顯微鏡探針對樣品局域加載。探針下顯著的應變梯度破壞了材料的中心對稱性，引起局域電極化和體光伏效應，並在中心對稱的單晶SrTiO3和TiO2中得到驗證。由圖可見，探針壓力引起顯著的光電流，電流密度隨壓力增加而增加，且與樣品受壓體積對應。在TiO2中，所測得光電流密度高達1A/cm2，較正常情形提高3個數量級。


光電流隨光極化矢量方向的變化

 

所測光電流起源於體光伏效應最強的證據，來自電流隨光極化和電流方向夾角的變化，如上圖所示。無論是在SrTiO3還是TiO2中，實驗趨勢與理論預測都完全吻合。


BiFeO3光電流分布及其與疇結構的關聯

 

其實，楊明敏和Alexe並非將撓曲電效應用於光伏的第一人。2015年，韓國KAIST的Chan-Ho Yang教授就在Nature Nanotechnology報導了BiFeO3混合相界處增強的光電流，如上圖所示。不同的是，BiFeO3本身即具備體光伏效應，而楊和Alexe則在中心對稱體系通過撓曲電效應誘導了體光伏效應。

 

機械翻轉鐵電極化

 

近些年關於撓曲電效應的高顯示度文章非常多。如上圖所示，2012年內布拉斯加大學的胡和Gruverman教授在Science報導利用撓曲電效應實現機械翻轉鐵電極化。今年，這一思路被賓州州立大學陳龍慶教授等延伸至非180度的鐵電疇調控，文章發表於Nature Nanotechnology。



2014年，Pradeep Sharma教授及其合作者在非壓電的二維材料體系通過撓曲電效應產生反常壓電性。2015年，Catalan等人利用這一現象，在超薄的SrTiO3懸臂梁中實現了電致彎曲並將其用於MEMS器件。



曲電效應誘導氧空位分布

 

除撓曲電效應之外，應變梯度也可以導致撓曲磁效應、乃至撓曲化學效應。如上圖所示，陳龍慶和韓國TW Noh教授2017年在Nature Communications報導了通過撓曲電效應控制氧空位分布，並通過開爾文探針觀測，可以視為撓曲電化學效應的體現。

 

撓曲電光伏效應是否能夠用於提升太陽能電池效率，還有待驗證。不過楊和Alexe一經捅破看似簡單的想法，則頗具啟迪。其實，近年來所發表的撓曲電效應的許多文章，想法看起來都不難。但 Ideas are cheap, 重要的是能夠實現。

本文系網易新聞·網易號「各有態度」特色內容

媒體轉載聯繫授權請看下方

相關焦點

  • Science: 彎還是直, 這是一個問題, 從中國學生發現撓曲電光伏效應...
    論文的第一作者是來自中國的博士研究生楊明敏，曾在中國科學院上海矽酸鹽研究所讀研究生。Alexe 和楊明敏近些年Science和Nature發表的太陽能電池論文非常多，大多集中在金屬滷化物有機無機雜化體系。這篇Science論文則另闢蹊徑，研究了一類新型的體光伏效應(Bulk Photovoltaic, BPV)。
  • 關於半導體中的撓曲電性能逐漸受到研究者的關注
    與壓電效應不同，撓曲電效應具有不受晶體對稱性限制、以及小尺寸效應（即尺寸越小效應越強）等優點。自上世紀60年代開始，有關撓曲電的研究大都集中在金屬氧化物體系，關於半導體中的撓曲電性能逐漸受到研究者的關注。
  • Science太陽能電池論文疑存在重大誤導,王中林院士團隊發論文質疑
    Yang, Kim和Alexe 等人在國際頂尖學術期刊Science上報導了撓曲電光伏效應（Flexo-electric photovoltaic effect, 以下統稱為「該文」），即通過半導體中的應變梯度，可以在任何半導體中產生體光伏效應，同時能產生
  • 王中林院士公開發文,質疑《Science》論文存在重大誤導!
    科研人員經過研究發現，體光伏效應能夠產生極大的光生電壓，遠遠超過相應半導體的帶隙，但其短路電流異常低，整體發電效率極低，同時，具有體光伏的材料通常受限於寬帶隙非中心對稱材料體系。最近，Yang, Kim和Alexe 等人在《Science》上報導了撓曲電光伏效應，通過半導體中的應變梯度，可以在任何半導體中產生體光伏效應，同時能產生非常大的光伏電流，並認為通過該效應可以極大提高太陽能電池的效率。
  • 好好的「直」男,怎麼說彎就彎了?
    好好的「直」男，怎麼說彎就彎了？根據近幾年的研究調查，在青少年群體中，脖頸前伸及含胸駝背的比例高達46.1%，高低肩佔38.3%，脊柱側彎佔23.6%，各項均良好者僅佔12.8%。如果青少年未及時矯正不良體態，除了會影響外觀，更嚴重者會損害健康。什麼是脊柱側彎？脊柱側彎是一種脊柱的三維畸形，在矢狀面、管狀面、橫斷面上的序列均會產生異常。
  • Advanced Materials:交流電光伏效應誕生
    光生電的效應早在1883年就被發現，愛因斯坦也因光電效應定律的發現獲得諾貝爾物理學獎。而目前已發現的所有形式的光電效應（包括Dember 效應，PN結光伏效應，Becquerel 效應等）都是直流電，這給電力併網及運輸，日常的家電的供能等等都製造了不少麻煩。
  • 鐵電反常光伏效應研究取得新進展
    北極星太陽能光伏網訊:鐵電光伏是上世紀七十年代在研究鐵電材料的光電子學性質時發現的一種新的重要的物理效應。因與常規的p-n結型太陽能電池的光伏效應存在根本差別，這種現象常被稱為反常光伏效應或者體光伏效應。近年來，隨著人類社會對能源環境問題的持續關注，關於鐵電光伏效應的研究持續升溫。
  • AM:交流光伏效應
    光伏效應已經成為人們生產生活中的重要能量來源之一。光生電的效應早在1883年就被發現，愛因斯坦也因光電效應定律的發現獲得諾貝爾物理學獎。目前電力運輸，家用電器都是交流電，而目前已發現的所有形式的光電效應（包括Dember 效應，PN結光伏效應，Becquerel 效應等）都是直流電，這給光伏效應廣泛應用製造了不少麻煩。
  • 基於一種新奇的面內自極化的鐵電光伏效應
    鐵電光伏材料，由於其具有窄的光帶隙、良好的載流子傳輸和強的紫外-可見-紅外吸收等特點，兼具機械、化學、熱穩定且製造成本低等優點，因此在太陽能轉換應用上越來越多地受到國內外研究者的關注。作為完全不同於傳統p-n結光伏效應的獨特光伏材料體系，鐵電光伏材料的自發極化是驅動載流子分離的主要動力，且光電流方向能夠隨著自發極化方向發生轉變，這些獨一無二的特性拓寬了鐵電光伏材料的應用領域。但是由於光-電能量轉換效率較低，且穩定性較差，尋找高轉換效率且輸出穩定新型鐵電光伏材料仍然是光伏科學與技術領域的挑戰性課題。
  • 為什麼說農村光伏發電要火?
    包括中國政府從1998年開始提出農村電氣化方案後，農村的「無電人口」迅速下降，十年左右就從超過四億人降低到了八千萬人。這是可以預料的。因為，在佔中國總人口70%的農村人口中，絕大多數生活在靠近城市或城鎮的地區，因此，初始階段電網向農村的眼神能夠很快速地覆蓋大量農村人口。但是，隨著農村電氣化計劃向偏遠地區覆蓋的時候，「二八」效應開始顯現。
  • 顏性戀:指性取向看臉而定 可直可彎
    顏性戀：指性取向看臉而定 可直可彎時間：2015-05-12 23:09   來源：華東在線   責任編輯：毛青青 川北在線核心提示：原題：顏性戀是什麼意思？指看臉而定 性取向可直可彎來源：北晚新視覺-股城網 導讀：【顏性戀：指性取向看臉而定 可直可彎】你是異性戀還是同性戀？
  • 一個人是直還是彎?以後用AI一算便知
    這事兒其實沒那麼不靠譜。來自史丹福大學的一份研究表明，通過對照片中人物的表情、動作和神態進行分析，的確可以推斷出對方的性取向。研究人員先從在線社交網站上抓取了上千張公開顯示的資料照片，然後再使用深度神經網絡學習來從中抽取並建立數據模型。在對超過35000張人臉照片進行對比研究之後，他們建立了一種準確率相對比較高的性取向鑑別算法。
  • 晶體矽光伏組件的熱斑效應詳解
    引言能源是人類的一個永恆話題, 從原始人學會用火到第一次工業革命, 再到第二次工業革命, 人們對能源的利用方式發生了翻天覆地的變化。現在的世界已經離不開電, 發電的方式很多, 有火力發電、水力發電、核能發電、光伏發電等, 目前火力發電佔據主導地位, 但由於煤炭資源有限, 所以尋求一種新的能源來代替火力發電已刻不容緩。
  • 柔性光伏——未來太陽能電池的奇特新效應
    光子被吸收時變成一個自由電子和一個空穴。由於p-n結的存在，自由電子和空穴分離，產生電壓。這類太陽能電池本身存在能量轉換效率極限，即肖克利·奎伊瑟效率極限（Shockley-Queisser limit），效率不能超過33.7%。但另一種效應——體光伏效應（bulk photovoltaic effect）不存在類似極限。
  • 用鐵電「場效應」拓撲絕緣體
    數位化邏輯過去幾十年已成為凝聚態物理追求的一個重要功能，不僅在半導體和凝聚態物理領域，甚至是光學、聲學方面也常有此類「通/斷」效應被發現，所以才有光二極體、聲二極體之類的新奇概念。到了今天，任何一個可測的物理量，如果基於某種結構，能夠用另外一個物理量來調控此一物理量，實現「開/關」兩態甚至多態之間轉換，都會引起廣泛關注。
  • 能直能彎的太陽能電池——鈣鈦礦太陽能電池
    ，就得提一下光電效應。光電效應是上個世紀傑出的物理學家愛因斯坦發現的。太陽能電池就是將太陽光轉化為電能的裝置。隨著研究深入，科學家發現鈦酸鈣具有一種特殊的晶體結構，為了命名的方便，於是就把這一類具有同樣晶體結構的物質，都叫做鈣鈦礦。鈣鈦礦太陽能電池裡頭並沒有鈣和鈦，而是一些具有鈣鈦礦結構的材料。人們發現用鈣鈦礦類材料製造的太陽能電池有著很多意想不到的優點。
  • 我國分布式光伏發電100問——原理及意義篇
    2.您知道光伏發電的歷史起源嗎?1839年，19歲的法國貝克勒爾做物理實驗時，發現在導電液中的兩種金屬電極用光照射時電流會加強，從而發現了「光生伏打效應」。1930年，郞格首次提出用「光伏效應」製造太陽能電池，使太陽能變成電能。1932年奧杜博特和斯託拉製成第一塊「硫化鎘」太陽能電池。
  • Science:重大發現!揭示反安慰劑效應產生機制
    這項研究深入探究了這種所謂的「反安慰劑效應（nocebo effect）」。它是眾所周知的安慰劑效應（placebo effect）的相反形式。安慰劑效應指的是在接受治療後人們因期待有好處而感覺變好一些。對反安慰劑效應而言，患者對治療副作用的擔憂讓他們感到不舒服。在這項研究中，研究人員發現，當被告知假藥價格昂貴時，人們更可能報導它的令人痛苦的副作用。