现代影印机的创造者发明出突破太阳能电池极限的新技术

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科研团队的成员来自四个大学科研机构：德雷克赛尔大学，宾夕法尼亚大学，俄罗斯科学院舒布尼科夫结晶学研究所和美国海军研究实验室。

他们在《自然·光子学》上发表了论文。题为《铁电材料中超越肖克利-奎伊瑟极限的太阳能转换率》主要介绍了他们使用钛酸钡材料实现高太阳能转换率的结果。

这个现象最先由弗里德金在47前年发现，他也正是这篇论文的第一作者。

跟现在主流的太阳能电池中利用的原理不同，弗里德金的理论是 依靠收集光伏材料中过量受激发“热电子”，在这些电子失去这些额外的能量之前将其转换成电能。这个原理又被称为“体光伏效应”，很有可能成为太阳能电池变革的开端。

太阳能电池的极限？

近年来，太阳能的发展主要受限于传统太阳能电池的结构和使用材料的电化学特性。

传统的太阳能电池主要由半导体材料组成：负电载流子（电子）为主的n型半导体和正电载流子（空穴）为主的p型半导体。太阳能的吸收发生在n/p半导体的交界处。因为pn结载流子浓度的不同，在结合处形成了一个和n指向p的内建电场。

在半导体交界处形成电子空穴对是产生电流的必要条件。

在半导体材料中，电子占据价带，需要吸收能量才能占据更高的价带，价带和导带的能量差被称作“能隙”。阳光照射太阳能电池时，入射光里携带能量的光子激发材料中处于低能级价带的电子升往导带；电子离开了价带，价带中自然留下了一个空穴。受激发的电子在pn结内建电场作用下移动形成电流。

在同一种材料中，能隙是不变的。也就是说，入射光中携带较低能量的光子无法激发电子，而对于携带高于能隙能量的光子多余的部分会被转换成热量。因此，太阳能电池的转换效率大大受限。除此之外，太阳能电池中电压也受材料能隙的影响。

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早在上世纪六十年代，弗里德金就在研究能隙对太阳能电池的限制。他们的团队在1969年发现，并不是所有的材料的性能都受能隙的影响。

那个时候弗里德金还在结晶学研究所工作，他和同事们在铁电材料碘化亚硫酸锑中检测到了异常高的光电压。碘化亚硫酸锑本身没有分隔不同载流子的结，弗里德金推测，材料晶体的对称性可能是这个异常现象的原因。被光子激发的“热电子”和材料晶格的碰撞后发生能量转移，“热电子”冷却。然而碘化亚硫酸锑中在特定方向上传输电子不会和晶格发生任何碰撞，他称之为“体光伏效应”。

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