美制造新晶體材料可提高光伏電池效率

美國每日科學網站報道指出，晶體是二極管的核心。這里所說的晶體并不是存在于石英中的自然形成的晶體，而是人工制造用以組成合金（例如氮化銦鎵）的晶體材料。這種合金可形成發光二極管（可見光頻段內）及激光二極管（藍色紫外頻段內）的發光區域。

如何制造更為出色的晶體材料——具有較高的結晶特性、光發射效率及發光度——也是亞利桑那州立大學物理系教授費爾南多·龐斯研究團隊中的科學家亞歷克斯·費希爾和博士候選人魏勇（音）正在進行的研究重點。在《應用物理通訊》雜志最近發表的一篇論文中，這個研究小組揭示了一種培育二極管用氮化銦鎵晶體材料新方法的基本原理，這種新方法可望推動光伏太陽能電池技術獲得突破性的效率。與該小組進行合作的是佐治亞理工學院教授艾倫·杜利特爾所領導的科研團隊。

報道指出，這些氮化銦鎵晶體是在藍寶石基片上培育出的層狀結構。與往常一樣，研究人員發現這些層狀結構的原子間距存在差異：這一現象可能導致高度壓力、生長中斷以及合金化學組成的波動等。

龐斯教授說：“減弱這種壓力并提高氮化銦鎵晶體形成過程中的均勻性將是十分有益的，但這很難實現。培養這些層狀結構類似于設法把蜂房尺寸不同的2個蜂巢天衣無縫地結合到一起，把這樣2個蜂巢合并到一起時，尺寸的差異會擾亂蜂房的規律性排列。”

根據研究人員在論文中的敘述，他們所發明的方法采用了分子脈沖來取得所需要的合金組成。由杜利特爾發明的這種方法名叫“調制取向外延法”。龐斯說：“這一技術使晶體材料在原子水平上的層狀生長成為可能。

論文第一作者費希爾和合作者魏勇在納米水平上對原子排列和發光度進行了分析。結果表明，利用取向外延法技術培育的薄膜擁有幾乎理想的特性，并揭示了這種意外的結果來自于晶體第一原子層生長過程中的壓力減弱。

龐斯說：“杜利特爾的團隊組裝出了一個更加均勻且晶格可以匹配到一起的終極晶體……從而得到了一種近似于完美晶體的薄膜。發光度也與完美晶體接近。這在我們的領域中曾被認為是不可能的事情。”

報道稱，消除晶體材料組成的非均勻性和晶格失配這2個曾經似乎是無法克服的缺陷，最終將意味著今后可以開發出效率大大提高的發光二極管和太陽能光伏產品。