微觀結構可以改善鈣鈦礦太陽能電池

基于鈣鈦礦化合物的太陽能電池可以很快使來自太陽光的發電更加高效，廉價。這些鈣鈦礦太陽能電池的實驗室效率已經超過了眾所周知的硅太陽能電池。來自美因茨馬克斯普朗克聚合物研究所的斯特凡·韋伯(Stefan Weber)領導的國際團隊發現，鈣鈦礦晶體中的微觀結構可以引導太陽能電池中的電荷傳輸。這些電子通道的巧妙排列可以使鈣鈦礦太陽能電池變得更強大。

當太陽能電池將太陽光轉換成電能時，電池內部材料的電子會吸收光能。傳統上，這種吸光材料是硅，但鈣鈦礦可能被證明是更便宜的替代品。太陽光激發的電子通過電池頂部和底部的特殊觸點收集。但是，如果電子在材料中保留的時間太長，它們可能會再次失去能量。為了使損失最小化，因此它們應盡快到達觸點。

鈣鈦礦中的微觀小結構(所謂的鐵彈性雙疇)在這方面可能會有所幫助：它們會影響電子移動的速度。位于美因茲的馬克斯·普朗克聚合物研究所的斯特凡·韋伯領導的國際研究小組發現了這一現象。科學家研究的條紋狀結構是在鈣鈦礦制造過程中通過材料中的機械應力自發形成的。通過結合兩種顯微鏡方法，研究人員能夠顯示出，電子平行于條紋的運動比垂直于條紋的運動快得多。Stefan Weber比較說：“這些域充當了電子的微小高速公路。”

在發光二極管和輻射探測器中的可能應用

對于他們的實驗，研究人員首先必須可視化條紋形狀的區域。他們通過壓電顯微鏡(PFM)成功做到了這一點。五年前，韋伯和他的同事首次使用這種方法在鈣鈦礦晶體中發現了這些疇。韋伯解釋說：“那時，我們已經想知道結構是否會對鈣鈦礦太陽能電池的運行產生影響。” “我們的最新結果現在表明確實如此。”

當研究人員將他們的PFM圖像與從另一種稱為光致發光顯微鏡的方法獲得的數據進行比較時，取得了突破。“我們的光致發光探測器就像一個速度陷阱，”韋伯小組的研究員，該研究的第一作者伊爾卡·赫爾姆斯(Ilka Hermes)解釋說。“我們使用它來在微觀水平上測量電子在不同方向上的速度。” 愛馬仕發現，沿著條紋，電子的運動速度比垂直于條紋的速度快50%至60%。“如果我們能夠使條紋直接指向電極，則鈣鈦礦太陽能電池的效率會更高，”愛馬仕總結道。

有了新的結果，不僅可以改進太陽能電池。其他光電應用(例如發光二極管或輻射檢測器)也可以從定向電荷傳輸中受益。Stefan Weber解釋說：“總的來說，如果我們能夠將電子指向正確的方向，那將是一個優勢。” 研究人員的想法是：在生產過程中將鈣鈦礦晶體置于機械應力下。這種所謂的應變工程將實現電子高速公路的最佳定向。