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(fā)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(jīng)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(lǐng)導(dǎo)的國際團隊發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦晶體中的微觀結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)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(dāng)太陽能電池將太陽光轉(zhuǎn)換成電能時，電池內(nèi)部材料的電子會吸收光能。傳統(tǒng)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(fā)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(yīng)盡快到達觸點。

鈣鈦礦中的微觀小結(jié)構(gòu)(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(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象?？茖W(xué)家研究的條紋狀結(jié)構(gòu)是在鈣鈦礦制造過程中通過材料中的機械應(yīng)力自發(fā)形成的。通過結(jié)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(dāng)了電子的微小高速公路。”

在發(fā)光二極管和輻射探測器中的可能應(yīng)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(qū)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(fā)現(xiàn)了這些疇。韋伯解釋說：“那時，我們已經(jīng)想知道結(jié)構(gòu)是否會對鈣鈦礦太陽能電池的運行產(chǎn)生影響。” “我們的最新結(jié)果現(xiàn)在表明確實如此。”

當(dāng)研究人員將他們的PFM圖像與從另一種稱為光致發(fā)光顯微鏡的方法獲得的數(shù)據(jù)進行比較時，取得了突破。“我們的光致發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(jié)道。

有了新的結(jié)果，不僅可以改進太陽能電池。其他光電應(yīng)用(例如發(fā)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?qū)㈦娮又赶蛘_的方向，那將是一個優(yōu)勢。” 研究人員的想法是：在生產(chǎn)過程中將鈣鈦礦晶體置于機械應(yīng)力下。這種所謂的應(yīng)變工程將實現(xiàn)電子高速公路的最佳定向。