- 牛津大学研究发现硫化锑材料能显著降低太阳能损失。
- 硫化锑具有不寻常的内部能量结构，能长时间保持电荷。
- 这种材料尚未商业化，但为设计新半导体提供了路线图。
- 无毒的硫化锑可替代传统有毒材料，具环保优势。
牛津大学的研究人员发现，硫化锑材料可以克服太阳能利用的一个主要限制。这个问题在于，强烈吸收阳光的材料通常会过快地损失电荷，无法有效产生能量。研究人员所识别的半导体材料具有一种不寻常的内部能量结构，像是一个暂时的等待室。具体而言，它能够更长时间地保持捕获的能量，并在室温下将电荷损失减少约 75%。牛津大学物理系的对应作者洛拉·赫兹教授表示：“在开发高效太阳能材料的过程中，一个长期存在的挑战是，让半导体非常擅长吸收阳光的特性往往也会使得产生的电荷迅速消失。
我们的研究显示，这种权衡并非不可避免。”
关键技术在于，太阳能电池板通过捕获释放的电子来产生电能，避免这些电荷与带正电的孔重新结合并以热量形式散失。设计用于最大限度吸收阳光的材料自然会创造出一个拥挤的环境，使这些电荷几乎瞬间发生碰撞。这种快速的重新结合为标准的光收集半导体设置了效率障碍。以硫化锑为基础的半导体有助于改变这一现状。牛津团队使用了超快太赫兹光谱技术，这种技术基本上是发射持续几微秒的激光脉冲，帮助探测该材料的薄膜。
硫化锑的量子排列特性
他们发现的结果令他们感到惊讶。硫化锑具有一种罕见的量子排列，称为伪直接半导体。光能通过一条主要的高能通道进入，在这里阳光被强烈吸收。这一入口下方立即出现一个较低能量的状态，用于捕获激发的电荷。作为一个临时储存池，这一次级状态安全地储存电荷，然后再释放。这一次级路径并不容易损耗电荷，允许电子安全地静置在储存中，直到收集时机到来。在室温下，这个微观的等待室将电荷损失减少了 75%，相较于传统材料来说。
赫兹教授补充道：“通过揭示一种不寻常的电子结构如何将强光吸收与更慢的重新结合结合起来，我们已经确定了一种设计半导体的新原则，这可能有助于我们更高效地收集太阳能。”无毒的硫化锑这种材料尚未成为市场上可用的屋顶面板。牛津团队指出，这项研究证明了一种基本的物理机制，而不是一种商业产品。然而，知道这一电子捷径的存在才是最重要的。研究人员现在可以扫描材料数据库，设计具有相同“捷径”特性的定制半导体。
未来半导体设计的潜力
赫兹教授表示：“这一发现特别令人兴奋的地方在于，我们不仅仅是在改善现有半导体的特性，而是确定了一种半导体可以表现的不同方式。了解这一机制为我们发现和潜在工程其他具有类似优势特性的材料提供了一个路线图。”
这不仅可以解锁太阳能电池板，也可能实现太阳能转化为化学燃料的更长寿命电荷。硫化锑作为一种地球丰富且无毒的替代材料，提供了环境和制造方面的优势，取代含铅或镉的材料。研究人员可以使用低成本的溶液处理、热蒸发和化学浴沉积等可获得的方法高效地生产这些薄膜。该研究于 10 月 28 日发表在《自然》期刊上。
项目 规格 处理器 硫化锑 电荷损失减少 75%
硫化锑材料的潜在影响
硫化锑材料的发现不仅能改善太阳能电池的效率，还可能改变半导体的设计思维。这种材料的独特电子结构使其能够有效捕获和储存电荷，从而减少能量损失。随着对这种机制的深入理解，研究人员可以探索更多具有相似特性的材料，推动可再生能源技术的进步。此外，硫化锑的环保特性使其成为一个有吸引力的替代选择，促进可持续发展。