新型同素异形体硅材料将给太阳能电池重大革新

时间：2015-05-22 08:54:43 来源：中国能源网 点击量：58

　　美国的研究人员合成了一种直接带隙同素异形体的新型硅材料。它结合了如砷化镓的吸光能力和传统硅材料的加工优势，可能使太阳能电池和发光设备发生彻底变革。目前的合成流程长且昂贵，但研究人员认为这项技术能够解决这个问题。

通过加热赶走钠原子，形成新的正交硅结构©NPG

硅材料是电子工业的支柱，但是通常的金刚石立方结构同素异形体具有间接带隙。这意味着电子不能通过吸收或发射光子的形式在价带和导带间来回穿越，它们还需要声子来节省动力。这降低了硅材料的吸收和发射光的效率。硅太阳能电池需要厚的硅晶片以吸收足够的光，而LED则需要更昂贵的材料，如砷化镓，有毒且易分解。

硅的四面体键结构促使其具有多种假想亚稳态结构，其中多个具有比基态略高的能量。在高压环境下，能够观察到多个结构，其中四个在环境条件下是动态稳定的。在2013年，华盛顿卡内基研究的Timothy Strobel和 他的同事发现了Na4Si24。现在，他们发现，在真空下将Na4Si24加热至400K，逐渐赶走钠原子，得到了一种正交同素异形体的新型硅结构。理论计算和实验表明，该材料在750K和10GPa下稳定存在，并且具有约1.3eV的直接带隙，是一种理想的光伏电池材料。

新型Si24同素异形体是具有5-, 6- 和8-SP3键合硅环的开放式框架结构© Duck Young Kim

该材料当前仅生产粉末样品，其复杂的制造过程显然限制了它的工业应用。然而，Strobel乐观地认为这些困难是可以克服的。他说，现在我们正在重点研究能够形成优良性能单晶材料的方法。一旦我们能够做到，我们才能真正确认该材料是否能为半导体技术带来革命性发展。此外，如果我们能够得到该晶体合理尺寸的基板，我们完全可以在任何高压下生产该同素异形体，也能够生产当前使用金刚石生产的多尺寸外延生长晶体。

美国南佛罗里达大学物理学家George Nolas相信本文的最显著之处在于它的新合成方法，他说，该方法可能用于其他开放式框架材料结构的合成。美国纽约州立大学石溪分校的电子结构理论学家Artem Oganov同样称赞这个制备材料的复杂方法。现在的问题是：这种材料是否可以打败硅材料。他说，如果不是，那么这是一个很好的尝试，这些反复尝试理所应当。如果是，那么我们可以开香槟庆祝了!