影印机

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艺术家的概念示意图：光激发的电子在铁电材料晶体中运动示意图。

肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisserlimit）指单个半导体p-n节太阳能转换效率的理论极限。

长久以来，研究太阳能电池的科学家们都在试图达到这个效率极限。现在他们或许可以把眼界放的更高了。

一个科研团队用一类材料实现了超过商用太阳能电池组的转换效率，他们甚至在特定的频段的太阳光中实现了超过肖克利-奎伊瑟极限的转换效率。

然而，这一新发现竟然源自半个世纪前俄罗斯物理学家弗里德金提出的理论。弗拉基米尔·M·弗里德金（Vladimir M .Fridkin）是现代影印机的发明者，现任德雷克赛尔大学物理系客座教授。

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”。

这个发现十分重要，肖克利-奎伊瑟极限的一大前提就是，所有过量激发的电子能量会以热能的方式散失。而体光伏效应表明，并非如此，人们而且甚至有可能在这部分能量转换成热之前将其提取成电能。

弗里德金强调，实验中超过肖克利-奎伊瑟极限的结果来自两个机理，一个就是体光伏效应，另外一个则是铁电材料中的强屏蔽场。通过强屏蔽场引发的碰撞电离和载流子放大，大大提高光的量子产率。

屏蔽场，在所有铁电材料都会出现。通过太阳能电池中用来收集电流的奈米级的电极，屏蔽场被增强了，这进一步促进了碰撞电离和载流子放大。举多米诺骨牌的例子，屏蔽场推动了连锁反应，保证了多米诺骨牌一个倒向下个。

碰撞电离导致了载流子放大。受光子激发的电子在电场中加速运动，和其他受束缚的电子碰撞，能量转移又进一步释放了被碰撞的束缚电子。一传十十传百，整个碰撞电离的在材料持续不断的进行着。就好像推到了一块多米诺骨牌，最后数以万计的骨牌一连串接着倒下。

弗里德金说这个结果在高效率太阳能电池应用中很有前途，通常铁电材料的能隙也正好和太阳光中频谱最强的那一波段能量相近。

论文的另一位第一作者乔纳森E·施帕尼尔同样来自德雷克赛尔大学，他是材料物理和电子工程系的教授。他强调钛酸钡虽然只能吸收太阳光中不到十分之一的频段，但是器件对入射光转换效率比同等能隙材料的传统理论转换效率极限高出50%。

合作成就突破

取得突破性的进展不是一朝一夕完成的，几年以前，宾夕法尼亚大学的化学和材料科学工程教授安德鲁M·拉佩（Andrew M. Rappe）和史蒂夫M·扬从开始研究体光伏效应中电流的计算问题。

正是这个理论计算基础让其他合作者看到了铁电材料作为太阳能电池的可能性。

同时，拉佩也是负责为施帕尼尔和弗里德金牵线搭桥的人。从2015年合作开始，短短一年，今年8月的《Nature Phtonics》上发表了他们的详细报告，显示了弗里德金几十年的远见。

弗拉基米尔曾经在静电影印技术上做出了突出的贡献，以制造出世界上第一台影印机享誉世界。后来他潜心研究铁电和压电现象，尤其在铁电材料与光的相互作用中贡献突出，他发现了著名的‘体光伏效应’理论。通常一个物理原理的发现到投入到实际应用中要经过几代人努力。

而神奇的是，他在50年之后将自己曾经发现的原理进一步推向了实际应用”。在一次接受采访中，拉佩教授这样说道，“迷弟”之心暴露无疑（编者注：“迷弟”指的是迷茫弟，最初的来源是网络中很火的一张照片）。

编辑：段鲸鱼

参考:Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2016.143

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