- 牛津大學研究發現硫化銻材料能顯著降低太陽能損失。
- 硫化銻具有不尋常的內部能量結構，能長時間保持電荷。
- 這種材料尚未商業化，但為設計新半導體提供了路線圖。
- 無毒的硫化銻可取代傳統有毒材料，具環保優勢。
牛津大學的研究人員發現，硫化銻材料可以克服太陽能利用的一個主要限制。這一問題在於，強烈吸收陽光的材料通常會過快地損失電荷，無法有效產生能量。研究人員所識別的半導體材料具有一種不尋常的內部能量結構，像是一個暫時的等待室。具體而言，它能夠更長時間地保持捕獲的能量，並在室溫下將電荷損失減少約 75%。牛津大學物理系的對應作者洛拉·赫茲教授表示：「在開發高效太陽能材料的過程中，一個長期存在的挑戰是，讓半導體非常擅長吸收陽光的特性往往也會使得產生的電荷迅速消失。
我們的研究顯示，這種權衡並非不可避免。」
關鍵技術在於，太陽能電池板通過捕獲釋放的電子來產生電能，避免這些電荷與帶正電的孔重新結合並以熱量形式散失。設計用於最大限度吸收陽光的材料自然會創造出一個擁擠的環境，使這些電荷幾乎瞬間發生碰撞。這種快速的重新結合為標準的光收集半導體設置了效率障礙。以硫化銻為基礎的半導體有助於改變這一現狀。牛津團隊使用了超快太赫茲光譜技術，這種技術基本上是發射持續幾微秒的鐳射脈衝，幫助探測該材料的薄膜。
硫化銻的量子排列特性
他們發現的結果令他們感到驚訝。硫化銻具有一種罕見的量子排列，稱為偽直接半導體。光能通過一條主要的高能通道進入，在這裡陽光被強烈吸收。這一入口下方立即出現一個較低能量的狀態，用於捕獲激發的電荷。作為一個臨時儲存池，這一次級狀態安全地儲存電荷，然後再釋放。這一次級路徑並不容易損耗電荷，允許電子安全地靜置在儲存中，直到收集時機到來。在室溫下，這個微觀的等待室將電荷損失減少了 75%，相較於傳統材料來說。
赫茲教授補充道：「通過揭示一種不尋常的電子結構如何將強光吸收與更慢的重新結合結合起來，我們已經確定了一種設計半導體的新原則，這可能有助於我們更高效地收集太陽能。」無毒的硫化銻這種材料尚未成為市場上可用的屋頂面板。牛津團隊指出，這項研究證明瞭一種基本的物理機制，而不是一種商業產品。然而，知道這一電子捷徑的存在才是最重要的。研究人員現在可以掃描材料資料庫，設計具有相同「捷徑」特性的定製半導體。
未來半導體設計的潛力
赫茲教授表示：「這一發現特別令人興奮的地方在於，我們不僅僅是在改善現有半導體的特性，而是確定了一種半導體可以表現的不同方式。瞭解這一機制為我們發現和潛在工程其他具有類似優勢特性的材料提供了一個路線圖。」
這不僅可以解鎖太陽能電池板，也可能實現太陽能轉化為化學燃料的更長壽命電荷。硫化銻作為一種地球豐富且無毒的替代材料，提供了環境和製造方面的優勢，取代含鉛或鎘的材料。研究人員可以使用低成本的溶液處理、熱蒸發和化學浴沉積等可獲得的方法高效地生產這些薄膜。該研究於 10 月 28 日發表在《自然》期刊上。
項目 規格 處理器 硫化銻 電荷損失減少 75%
硫化銻材料的潛在影響
硫化銻材料的發現不僅能改善太陽能電池的效率，還可能改變半導體的設計思維。這種材料的獨特電子結構使其能夠有效捕獲和儲存電荷，從而減少能量損失。隨著對這種機制的深入理解，研究人員可以探索更多具有相似特性的材料，推動可再生能源技術的進步。此外，硫化銻的環保特性使其成為一個有吸引力的替代選擇，促進可持續發展。