太阳能电池材料的新发现

2018-06-15来源 : 3158环保网作者:mobile_944671

自然界偏爱晶体。盐、雪花和石英就是晶体的三个典型的例子,其特征是原子和分子以独特的晶格方式排列。

工业也钟情晶体。电子元件是晶体家族的一员,也被称为半导体,其中最有名的是硅材料。

为了使得半导体具有实用性,工程师必须调整其晶体排列方式,从而控制电子流的启动和停止。

半导体工程师需要精确地了解晶格中电子移动所需要的能量,这种能量值被称为能隙。

类似于硅、砷化镓和锗等半导体材料,它们各自都拥有具有独特能隙的晶格。通过对能隙的测定,可以判定何种材料适用于何种电子功能。

现在,斯坦福大学的一个跨学科研究小组已经成功制作出具有可变能隙的半导体晶体。这种半导体可能会被用作太阳能电池,其对某种光谱很敏感,能从阳光中吸收更多的能量。

这种原材料本身不是新鲜的事物。二硫化钼( MoS2)是一种岩石晶体,像石英一样,能用来提炼催化剂和润滑剂。

然而,根据发表在Nature Communications的成果,斯坦福大学的机械工程师Xiaolin Zheng和物理学家Hari Manoharan研究了二硫化钼晶格的形成过程,证明其具有独特的电子特性。

二硫化钼是单层结构的:一个钼原子联接了两个硫的三角晶格。自然界中的岩石是由许多这种单层材料层叠而成。每个二硫化钼单层都具有半导体应用潜力。

Zheng说:“从机械工程的角度来看,二硫化钼单层是奇妙的,因为它的晶格能够被极度拉伸,而又不会被破坏。”

通过拉伸晶格,斯坦福大学的研究人员能够把位于单层结构的原子转移。这种原子转移改变了移动电子所需要的能量。拉伸这种二硫化钼单层,可以带来电子元件的新特性:这是一种具有可变能隙的人工晶体。

Manoharan说:“使用这种半导体材料,我们能够得到巨大的能隙。这将会有利于传感器、太阳能和其他电子应用等方面。”

科学家已经对石墨烯称赞不已。石墨烯材料的发现获得了诺贝尔奖,它是由单层的碳原子平摆的一种单层结构。

2012年,麻省理工学院的核工业和材料科学家设计了一种理论,涉及二硫化钼单层的半导体应用。

对于任何半导体,工程师必须改变其晶格排列,从而控制电子流动。对于硅,这种调整包括在晶格中掺入少量化学物质。

在麻省理工学院科学家的模拟实验中,他们拉伸了二硫化钼的晶格。他们利用虚拟引脚,创建了纳米级的漏斗状结构,拉伸了晶格,从而在理论上改变了二硫化钼的能隙。

能隙的数值表示了移动单个电子所需要的具体能量。这种模拟实验表明,漏斗状结构将会拉伸晶格,从而创建不同的能量隙。

麻省理工学院的研究人员从理论方面证明,漏斗状结构将会是一个巨大的太阳能集热器,能捕捉到太阳光频谱上各个区间的能量。

2013年斯坦福大学的博士后学者Hong Li进入机械工程系后,他便将这一想法告知Zheng。Zheng带领着斯坦福研究团队,将MIT的理论变为了现实。

因为没有虚拟的针脚,斯坦福研究团队将二硫化钼从下向上推挤,从而完成晶格拉伸。他们不是模拟,而是实际地在单层结构上创建了一个人工景观。

他们在硅片上创建了人工景观,选择这种材料并不是因为它的电子特性,而是因为工程师知道该如何以极精致的方式进行雕刻。他们在硅片上雕刻了“小山”和“山谷”。随后他们将工业流体和材料进行结合,并将二硫化钼单层置于顶端。

然后对材料进行蒸发处理,将半导体晶格铺到“山谷”中去,弯弯曲曲的“山谷”,自然而然地将二硫化钼单层进行拉伸。

Alex Contryman是Manoharan实验室的一个应用物理学博士生,他使用了扫描隧道显微镜来确定这种晶格的位置。同时也测定了这种可变的能隙。

MIT的理论专家、莱斯大学以及德州农工大学(Texas A&M)专家,将这一成果发表在Nature Communications上。

研究小组认为,这一实验将为未来人工晶体的研发打下基础。

Zheng说:“最令人激动的便是过程的可扩展性。同时,从工业的角度而言,二硫化钼很便宜。”

Manoharan说:“这一技术的应用将会很有趣。”

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