超晶格的结构表征。(一)从样品SBC222获得的横截面STEM。(二)来自部分扫描区域的高分辨率STEM。示意图描述了单元电池的排列。RSM是在(C) BTO、(D) SBC555、(E) SBC252和(F) SBC222的(103)反射周围获得的。星形和黄色箭头分别表示SL的STO基质和卫星峰。信用:科学进展(2021)。DOI: 10.1126/ sciadv.abe4206如果三种不同的材料周期性地排列在一个晶格中，铁电晶体的光伏效应可以提高1000倍。MLU马丁路德大学的研究人员揭示了这一点。他们通过交替放置钛酸钡、钛酸锶和钛酸钙的晶体层来实现这一点。他们的发现发表在《科学进展》杂志上，可以显著提高太阳能电池的效率。目前大多数太阳能电池都是硅基的；然而，它们的效率有限。这促使研究人员研究新材料，如钛酸钡之类的铁电体，这是一种由钡和钛制成的混合氧化物。“铁电意味着材料具有空间分离的正电荷和负电荷，”来自MLU创新能力中心李思-纳米的物理学家阿卡什·巴特纳格尔博士解释道。"电荷分离导致了一种不对称结构，这种结构能使光产生电."与硅不同，铁电晶体不需要所谓的pn结来产生光伏效应，换句话说，不需要正负掺杂层。这使得生产太阳能电池板变得更加容易。
然而，纯钛酸钡不吸收太多阳光，因此产生相对较低的光电流。最新研究表明，将不同材料的极薄层结合在一起可以显著提高太阳能的产量。这里重要的是铁电材料和顺电材料是交替的。虽然后者没有分离的电荷，但在某些条件下，例如在低温下或当其化学结构略有改变时，它可以变成铁电体，”Bhatnagar解释说。
Bhatnagar的研究小组发现，如果铁电层不仅与一层交替，而且与两层不同的顺电层交替，光伏效应会大大增强。该研究的第一作者、MLU大学博士生叶梭尔·云解释说:“我们在钛酸锶和钛酸钙之间嵌入了钛酸钡。这是通过用高功率激光蒸发晶体并将它们重新沉积在载体衬底上来实现的。这就产生了一种大约200纳米厚的500层材料。”
进行光电测量时，用激光照射新材料。这一结果甚至让研究小组感到惊讶:与厚度相似的纯钛酸钡相比，电流强度高达1000倍——尽管钛酸钡作为主要光电成分的比例减少了近三分之二，但这种情况仍然存在。“晶格层之间的相互作用似乎导致了更高的介电常数——换句话说，由于光子的激发，电子能够更容易地流动，”Akash Bhatnagar解释说。测量结果还显示，这种效应非常强劲:在六个月的时间里，它几乎保持不变。
现在必须进行进一步的研究，以找出到底是什么导致了这种突出的光电效应。Bhatnagar相信新概念所展示的潜在优势可以用于太阳能电池板的实际应用。“这种层状结构在所有温度范围内都比纯铁电体具有更高的产量。这些晶体也明显更耐用，不需要特殊包装。”
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