華人科學家可以將鈣鈦礦太陽能電池效率提高多達250％

羅切斯特大學的華人科學家提出了一種構建鈣鈦礦太陽能電池的新方法

在鈣鈦礦下涂上一層金屬可以將半導體材料的光轉換效率提高多達250%

研究人員正在競相尋找新的、更穩定的鈣鈦礦材料

美國羅切斯特大學的一個研究小組提出了一種新穎的、基于物理學的方法，該方法使用一層金屬的基板或金屬和介電材料的交替層用于鈣鈦礦基太陽能電池。 研究人員通常在潮濕的實驗室中合成鈣鈦礦，然后將材料作為薄膜應用于玻璃基板上并探索各種應用。

他們報告的研究結果已發表在《Nature Photonics》上。

硅是用于許多應用的標準半導體材料 - 計算機中央處理器（CPU），存儲器和半導體芯片，探測器。也是一種太陽能電池的豐富天然材料。然而，開采和凈化的成本很高。

鈣鈦礦 - 一系列因其晶體結構而昵稱的材料 - 近年來顯示出非凡的前景，作為太陽能電池和探測器中硅的更便宜，成為同樣有效的替代品。

由羅切斯特大學光學教授郭春雷領導的研究表明，鈣鈦礦可能會變得更加高效。

相反，郭提出了一種新的、基于物理學的方法。通過使用一層金屬或金屬和介電材料交替層（而不是玻璃）的基板，他和他的合著者發現他們可以將鈣鈦礦的光轉換效率提高250%。

郭實驗室的這張插圖顯示了鈣鈦礦材料（青色）和金屬介電材料基板之間的相互作用。紅色和藍色配對是電子-空穴對。從基板反射的鏡像降低了鈣鈦礦中激發的電子與其原子核重新結合的能力，從而提高了鈣鈦礦收集太陽光的效率。

郭指出，在鈣鈦礦中沒有其他人得出過這種觀察結果。突然之間，他們可以在鈣鈦礦下放置一個金屬平臺，徹底改變鈣鈦礦內電子的相互作用。因此，他們使用物理方法來設計這種相互作用。

新穎的鈣鈦礦-金屬組合創造了“許多令人驚訝的物理學”

金屬可能是自然界中*簡單的材料，但它們可以制成以獲得復雜的功能。郭實驗室在這一領域擁有豐富的經驗。該實驗室開創了一系列技術，將簡單金屬轉化為漆黑、超親水（吸水）或超疏水（憎水）。在他們*近的研究中，增強的金屬已用于太陽能吸收和水凈化。

在這篇新論文中，Guo實驗室沒有提出一種增強金屬本身的方法，而是展示了如何使用金屬來提高鈦礦的效率。

一塊金屬可以做與濕實驗室中復雜的化學工程一樣多的工作，這項新研究可能對未來的太陽能收集特別有用。

郭解釋說，在太陽能電池中，來自太陽光的光子需要與電子相互作用并激發電子，導致電子離開其原子核并產生電流。理想情況下，太陽能電池將使用弱材料將激發的電子拉回原子核并停止電流。

郭教授的實驗室證明，通過將鈣鈦礦材料與金屬層或由銀（貴金屬）和氧化鋁（電介質）交替層組成的超材料基板相結合，可以在很大程度上防止這種復合。

結果是通過“許多令人驚訝的物理學”顯著減少了電子復合。實際上，金屬層充當鏡子，它產生電子 - 空穴對的反向圖像，削弱電子與空穴重新結合的能力。

該實驗室能夠使用一個簡單的探測器來觀察光轉換效率提高250%。

在鈣鈦礦應用于實際應用之前，必須解決幾個挑戰，尤其是它們相對快速地降解的趨勢。目前，研究人員正在競相尋找新的、更穩定的鈣鈦礦材料。

合作者包括Kwang Jin Lee，Ran Wei，Jihua Zhang和Mohamed Elkabbash，他們都是郭教授實驗室的現任和前任成員，以及中國長春光學，精密機械和物理研究所的Ye Wang，Wenchi Kong，Sandeep Kumar Chamoli，Tao Huang和Weili Yu。

羅切斯特大學光學教授郭春雷

隨著這項研究得到測試和復制，這項工作獲得了技術突破。鈣鈦礦剛剛獲得的巨大的能量，它將可以用于今后更多的研究。