研究者发现铁电材料光伏机制

科学家认为，铁电材料在光照条件下可以产生很高的光伏电压，而太阳电池的光伏电压越高，代表着产生的电能越多，效率越高。但直到现在，没有人能够确切指出这种材料的光伏过程原理。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室以及加州大学伯克利分校的研究人员最近揭开了一种铁电材料光伏过程的神秘面纱，并认为这一原理适用于类似材料。相关研究成果发表在《Physical Review Letters》上。研究受到美国能源部科学局Helios太阳能研究中心和伯克利实验室导向研究开发项目的资助。
他们的研究对象是铋铁氧体（BFO）薄膜，这种薄膜具有特殊的周期性铁电畴排列，排列长度超过几百微米，铁电畴呈长条状，宽约50-300 nm，之间被宽约2 nm的畴壁分隔，相邻铁电畴的电极化方向相反。

在光线照射下，BFO薄膜产生的电流沿着与畴壁呈一定夹角的方向传播。研究人员使用铂电极对由此产生的电压进行测量发现，电极距离越远，跨越的畴壁越多，则电压越高，证明铁电畴畴壁在增加电压方面起重要作用。畴壁两侧相反电荷的集聚形成了电场，将铁电畴中由光电效应产生的载流子分开。畴壁两侧的电子与空穴为寻求配对，会离开畴壁向电场较弱的铁电畴中部移动。由于铁电畴中光电效应产生的电子多于空穴，溢出的电子沿着同一方向从一个铁电畴进入相邻铁电畴，依次下去，这种传递方式类似桶队列（bucket brigade）。随着各铁电畴贡献的电荷越来越多，电压也随之升高，研究人员将其称为“锯齿电势”（sawtooth potential）。

不过，BFO并不是太阳电池的良好候选材料，它只吸收蓝色和近紫外光，此外，BFO的光子吸收效率在畴壁附近是最高的，可以产生很高的电压，但是却无法产生高电流，而后者也是良好的太阳电池材料所需要的。不过，研究人员认为，类似的原理在其他具有“锯齿电势”材料中也应该存在，甚至可能存在于更多材料中。