研发新型材料提高光伏电池效率

美国每日科学网站近日报道指出，晶体是二极管的核心。这里所说的晶体并不是存在于石英中的自然形成的晶体，而是人工制造用以组成合金（例如氮化铟镓）的晶体材料。这种合金可形成发光二极管（可见光频段内）及激光二极管（蓝色紫外频段内）的发光区域。

如何制造更为出色的晶体材料——具有较高的结晶特性、光发射效率及发光度——也是亚利桑那州立大学物理系教授费尔南多·庞斯研究团队中的科学家亚历克斯·费希尔和博士候选人魏勇（音）正在进行的研究重点。在《应用物理通讯》杂志最近发表的一篇论文中，这个研究小组揭示了一种培育二极管用氮化铟镓晶体材料新方法的基本原理，这种新方法可望推动光伏太阳能电池技术获得突破性的效率。与该小组进行合作的是佐治亚理工学院教授艾伦·杜利特尔所领导的科研团队。

报道指出，这些氮化铟镓晶体是在蓝宝石基片上培育出的层状结构。与往常一样，研究人员发现这些层状结构的原子间距存在差异：这一现象可能导致高度压力、生长中断以及合金化学组成的波动等。

庞斯教授说：“减弱这种压力并提高氮化铟镓晶体形成过程中的均匀性将是十分有益的，但这很难实现。培养这些层状结构类似于设法把蜂房尺寸不同的两个蜂巢天衣无缝地结合到一起，把这样两个蜂巢合并到一起时，尺寸的差异会扰乱蜂房的规律性排列。”

根据研究人员在论文中的叙述，他们所发明的方法采用了分子脉冲来取得所需要的合金组成。由杜利特尔发明的这种方法名叫“调制取向外延法”。庞斯说：“这一技术使晶体材料在原子水平上的层状生长成为可能。

论文第一作者费希尔和合作者魏勇在纳米水平上对原子排列和发光度进行了分析。结果表明，利用取向外延法技术培育的薄膜拥有几乎理想的特性，并揭示了这种意外的结果来自于晶体第一原子层生长过程中的压力减弱。

庞斯说：“杜利特尔的团队组装出了一个更加均匀且晶格可以匹配到一起的终极晶体……从而得到了一种近似于完美晶体的薄膜。发光度也与完美晶体接近。这在我们的领域中曾被认为是不可能的事情。”

报道称，消除晶体材料组成的非均匀性和晶格失配这两个曾经似乎是无法克服的缺陷，最终将意味着今后可以开发出效率大大提高的发光二极管和太阳能光伏产品。