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近日，美國(guó)能源部（DOE）勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的科研人員開(kāi)發(fā)出一種新的技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可以使用任意半導(dǎo)體材料制造低成本、高效率的太陽(yáng)能電池。該技術(shù)打開(kāi)了可以使用方便、便宜的半導(dǎo)體材料的大門，例如使用有前途的金屬氧化物、硫化物和磷化物。這些材料在之前都被認(rèn)為不適合制造太陽(yáng)能電池，因?yàn)楹茈y通過(guò)化學(xué)方法去修改他們的特性。
"現(xiàn)在我們可以變廢為寶了，"物理學(xué)家Alex Zettl說(shuō)，他和同時(shí)王峰（音譯）一起領(lǐng)導(dǎo)該科研項(xiàng)目。該技術(shù)運(yùn)行我們回避通過(guò)化學(xué)方法修改地球上豐富的無(wú)毒半導(dǎo)體的特性，取而代之的是簡(jiǎn)單施加電場(chǎng)來(lái)修改其材料特性。
Zettl是由伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部和加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)院聯(lián)合任命的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，他在加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)院負(fù)責(zé)管理集成納米機(jī)械系統(tǒng)中心（COINS）。Zettl在《納米快報(bào)》雜志上發(fā)表了其研究成果，論文題目為"工程篩選的場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池"，其他合著者包括William Regan, Steven Byrnes, Will Gannett, Onur Ergen, Oscar Vazquez-Mena 和 （王峰）Feng Wang。
太陽(yáng)能電池使用半導(dǎo)體材料將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，半導(dǎo)體可以吸收光子，釋放電子，然后電子可轉(zhuǎn)換為電流。
光伏是清潔、綠色和可再生能源，但是現(xiàn)今的技術(shù)主要利用相對(duì)稀缺和昂貴的半導(dǎo)體，例如晶體硅，碲化鎘薄膜，銅銦鎵硒薄膜，要制成電池是復(fù)雜的、昂貴的。
"現(xiàn)在的太陽(yáng)能技術(shù)需要面臨成本和效率的權(quán)衡，這就放緩了太陽(yáng)能發(fā)電的廣泛應(yīng)用"Zettl說(shuō)"我們的新技術(shù)減少了制造太陽(yáng)能電池的成本和復(fù)雜度，這就帶來(lái)了重要的成本效率和生態(tài)環(huán)保，這就促進(jìn)了太陽(yáng)能的應(yīng)用。"
該新技術(shù)叫做"篩選工程場(chǎng)效應(yīng)光伏"或者SFPV，因?yàn)槠淅秒妶?chǎng)效應(yīng)--一個(gè)很好理解的現(xiàn)象，即通過(guò)應(yīng)用電場(chǎng)來(lái)修改半導(dǎo)體中載流子的密度。
使用SFPV技術(shù)，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的篩選上電極會(huì)使柵極電場(chǎng)充分滲透進(jìn)電極，然后更均勻地調(diào)節(jié)載流子的濃度和類型，最后形成p-n結(jié)。形成這種高質(zhì)量的p-n結(jié)是困難的，如果使用傳統(tǒng)的化學(xué)方法去摻雜是很難實(shí)現(xiàn)的。
"我們的技術(shù)僅僅需要電極和柵極沉積，不需要高溫化學(xué)摻雜，離子注入，或者其他昂貴的、具有破壞性的工藝過(guò)程。"論文作者William Regan說(shuō)到。
我們成功的關(guān)鍵是柵場(chǎng)的最小篩選，這是通過(guò)上電極的幾何結(jié)構(gòu)達(dá)到的。這使得電接觸的形成和半導(dǎo)體載流子調(diào)制同時(shí)進(jìn)行成為可能。
在SFPV系統(tǒng)下，上電極的結(jié)構(gòu)建造成形，結(jié)果是至少電極尺寸中的一個(gè)被限制。在一種結(jié)構(gòu)中，伯克利的科研人員使用氧化銅，將電接觸塑造為手指形狀；在另一種結(jié)構(gòu)中，他們用硅將上電極塑造為超薄型（單層石墨烯）。
在足夠狹窄的手指電極條件下，柵場(chǎng)在電極和其下方的勢(shì)壘之間創(chuàng)造了一個(gè)低電阻反轉(zhuǎn)層。一個(gè)均勻的薄上電極允許柵場(chǎng)滲透、耗盡/反轉(zhuǎn)下面的半導(dǎo)體。這兩種配置的結(jié)果都可以得到高質(zhì)量的p-n結(jié)。
另外合著者王峰說(shuō)"我們的成果表明，通過(guò)柵場(chǎng)的應(yīng)用，一個(gè)穩(wěn)定的電接觸p-n結(jié)幾乎可以使用任何一種半導(dǎo)體和任何一種電極材料得到，前提條件是電極為適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)。"
科研人員同樣證明了在自柵極結(jié)構(gòu)中的SFPV效應(yīng)，在該結(jié)構(gòu)中，柵極由電池內(nèi)部本身的電特性來(lái)供電。
"自柵極結(jié)構(gòu)減掉了對(duì)于外部柵極電源的需要，這簡(jiǎn)化了SFPV電池的實(shí)際執(zhí)行期。"Regan說(shuō)，"此外，柵極還可以作為減反射膜從而起到雙重作用，對(duì)于高效電池來(lái)說(shuō)這是一個(gè)很常見(jiàn)的、必要的功能。"
