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【ACS Nano】科学评论:挠曲电光伏效应能提高太阳能电池的效率?非也!
发表日期: 2019-11-27 文章来源:
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  光伏效应已经得到广泛的研究,并作为清洁能源应用于各种设备。然而,其开路电压受半导体的带隙能带限制,效率较低。体光伏效应 bulk photovoltaic effect)能够产生极大的光生电压,远远超过相应半导体的带隙,但其短路电流异常低,整体发电效率极低;同时,具有体光伏的材料通常受限于宽带隙非中心对称材料体系。Yang, Kim and Alexe 等人在《科学》上报道了挠曲电光伏效应[1]Flexo-electric photovoltaic effect, 以下统称为“该文”),即通过半导体中的应变梯度,可以在任何半导体中产生体光伏效应,同时能产生非常大的光伏电流(该文宣称电流提高了两到三个数量级),并认为通过该效应可以极大提高太阳能电池的效率。最近,由邹海洋博士,张春利博士,薛昊博士和吴治峄博士等组成的由王中林院士领导的团队从实验设计,实验数据,机制原理,和结论分析等方面对该文进行讨论,认为该文实验设计不合理,用于计算分析的物理模型不合理,实验结果无法支持物理模型,结论陈述有明显的误导和错误。作者们认为该文对学术界和公众认知存在重大误导,非常有必要指出其存在的问题和疑问。其评论的原文发在了ACS Nano[2] 

  首先,Yang, Kim and Alexe提供的数据不一致。文中宣称电流有两到三个数量级的提高,而支撑材料中大量的数据却表明电流提高倍数都低于20倍。在纳米尺度下,强压力会引起诸多参数极大地变化,包括AFM 针尖和晶体形变引起接触面积,接触电阻等的变化,因而电流发生变化的原因则存在了很多可能性。 

  第二,没有有效数据证明实验中是否产生了挠曲电效应以及其强度。Yang, Kim and Alexe文中没有实验数据,只有计算试图验证挠曲电的产生,而其实验设计和实际情况与所用物理计算模型的基本适用条件完全不符,计算结果将应力梯度极大放大,得到了完全偏离实际的结果。 

  第三,没有任何有效证据证明该实验产生了体光伏效应。Yang, Kim and Alexe文中所得到的电流和偏振光角度的变化没有太大关系(与电流总值相比,电流波动幅度1pA非常小),这与体光伏效应的这一特性的典型曲线不符。 

  第四,没有数据体现出挠曲电光伏理论中的极化现象。极化电势会对I-V两端曲线产生不对称的变化,而在Yang, Kim and Alexe文中的出现的是对称变化,这更可能是压阻效应的结果,而不是具有极化效应的挠曲电或体光伏。 

  第五,没有任何数据表明挠曲电光伏效应能大大提高太阳能电池的效率以及突破SQ效率限制。太阳光与该文中所用的极化激光有着极大地本质不同。另外,Yang, Kim and Alexe文中得到的电压仍在带隙内,电流的量级(pAnA)依旧异常低,无法得到高效的光电转换。也没有任何理由相信,通过大面积的探针阵列压在普通太阳能电池上就可以产生体光伏来提高电流,电压或者效率。另外,强外力作用下的探针阵列会影响光吸收,反射,电阻,增加材料缺陷,影响太阳能的性能和寿命。 

  评论文章里提出了30Yang, Kim and Alexe文章中存在的具体问题和质疑,认为该实验无法证明产生了挠曲电光伏效应,更无法证明该效应是电流提高的主要原因,因此,挠曲电光伏效应能提高太阳能电池效率的结论不能成立 

  参考文献: 

  [1]   M. M. Yang, D. J. Kim, M. Alexe, Science 2018, 360, 904.  

  [2] 评论原文:Haiyang Zou, Chunli Zhang, Hao Xue, Zhiyi Wu, Zhong Lin Wang*, “Boosting the Solar Cell Efficiency by Flexo-photovoltaic Effect?”, ACS Nano, 13 (2019) 12259-12267.  

 
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