新型半导体材料可用作太阳能电池中的光吸收剂

半导体用于无数的光电器件。然而，随着设备越来越小，要求越来越高，需要新材料来确保设备以更高的效率工作。现在，南加州大学维特比工程学院的研究人员开创了一种新型半导体材料，可能会增强光电子器件和太阳能电池板的功能 - 甚至可能比常用的硅材料少一百倍。

USC Viterbi的研究人员由Jaykanth Ravichandran领导，他是Mork家族化学工程和材料科学系的助理教授，包括Shanyuan Niu，Huaixun Huyan，Yang Liu，Matthew Yeung，Kevin Ye，Louis Blankemeier，Thomas Orvis，Debarghya Sarkar，电子工程助理教授Rehan Kapadia和密苏里大学物理学教授David J. Singh开发了一类性能优越且毒性降低的新型材料。他们在“通过过渡金属钙钛矿硫属元素化学结构和化学调节的带隙控制”中记录的过程发表在Advanced Materials上。

Ravichandran是这项研究的负责人，他是一位材料科学家，他一直对通过材料理解电子和热量的流动以及电子在材料中如何相互作用感兴趣。对材料成分如何影响电子运动的深入了解对Ravichandran及其同事最近的创新至关重要。

计算机和电子产品一直在变得越来越好，但据该研究的主要调查人员Jayakanth Ravichandran称，“最基本的设备 - 晶体管 - 的性能并没有好转。” 正如被认为是“摩尔定律的终结”所指出的那样，在表现方面存在一个平台。与电子产品类似，人们对开发用于光电子器件的高性能半导体非常感兴趣。材料科学家和电气工程师的合作团队希望开发新材料，以展示各种应用的理想光学和电学特性，如显示器，光探测器和发射器，以及太阳能电池。

研究人员开发了一类称为“过渡金属钙钛矿硫属化物”的半导体。目前，最有用的半导体不能为给定体积的材料保持足够的载流子(这种性质被称为“状态密度”)，但它们快速传输电子，因此已知具有高迁移率。科学家面临的真正挑战是增加材料中的这种状态密度，同时保持高移动性。预计所提议的材料具有这些相互矛盾的特性。

作为展示其潜在应用的第一步，研究人员研究了其吸收和发光的能力。“有一种说法，”Ravichandran说，光学和光子学领域的人们之间的对话，“一个非常好的LED也是一个非常好的太阳能电池。” 由于材料Ravichandran和他的同事开发有效吸收和发光，太阳能电池是一种可能的应用。

太阳能电池吸收光线并将其转化为电能。然而，太阳能电池板由硅制成，硅通过高能量密集的提取工艺来自沙子。如果太阳能电池可以由一种新的替代半导体材料制成，例如由USC Viterbi研究人员制造的材料 - 一种能够在给定体积下装配更多电子(并减小面板厚度)的材料，太阳能电池可以是效率更高 - 可能使用少一百倍的材料来产生相同的能量。如果应用于太阳能行业，这种新材料可以使太阳能更便宜。

虽然将这类材料推向市场是漫长的道路，但下一步是以超薄薄膜的形式重新制造这种材料，制造太阳能电池并测试其性能。“这项工作的关键贡献，”Ravichandran说，“是我们新的合成方法，这是对早期研究的一个重大改进。此外，我们对光学特性(特别是带隙)的宽可调性的证明有望用于开发新的光电器件具有可调光学特性。