研究小組使用的是鉍鐵氧體。這是一種利用鉍、鐵和氧制作的多鐵性陶瓷，同時顯示出鐵電和鐵磁兩種性質。鐵電性是指通過電場逆轉，材料的自發(fā)電極化；而鐵磁性指物質表現(xiàn)出永久磁矩的特性。
研究人員發(fā)現(xiàn)，鉍鐵氧體具有三方晶體的扭曲結構，因此可以在納米空間中產生光伏效應。此外，研究人員可通過電場操縱晶體結構，從而控制其光伏性能。
“我們很高興在多鐵氧體材料的納米空間找到了以前沒有發(fā)現(xiàn)的功能。”讓·賽德爾說。他是一名物理學家，任職于伯克利實驗室材料科學部和加州大學伯克利分校物理系。他補充說：“我們現(xiàn)在正在把這個概念運用到生產更高效率的能源設備上。”
傳統(tǒng)固態(tài)太陽能電池的核心部件有一個正-負極聯(lián)接，也就是正極半導體層和負電子層之間的聯(lián)接。當電池吸收來自太陽能的光子時，光子的能量會產生電子空穴對，這些空穴對在耗竭區(qū)分開，也就是微小的正負聯(lián)接區(qū)，然后被收集為電力。然而，這個過程需要光子穿透耗竭區(qū)的物質。他們的能量也必須精確地匹配半導體的電子能帶隙能量，也就是半導體價帶和傳導能帶之間的差距，這里沒有電子狀態(tài)的存在。
“傳統(tǒng)固態(tài)光電器件可以產生的最大電壓等于其電子能隙，”賽德爾說，“即使是所謂的串聯(lián)細胞，其中有一些半導體正負聯(lián)接的堆積，他們能產生的光電電壓也是有限的，因為光穿透的深度是有限的。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，用白光照射鉍鐵氧體可以在1至2納米寬的微觀區(qū)域內產生光電電壓。這種電壓顯著高于鉍鐵氧體的電子帶隙。“鉍鐵氧體帶隙能量相當于2.7伏特。而測試表明，我們的新方法可以在200微米的距離內產生約16伏特的電壓。此外，這個電壓在原則上是線性可擴展的，這意味著其中的距離越大，可產生的電壓也就越高。”
新方法還采用了光伏發(fā)電疇壁，這些疇壁通過多鐵氧體材料的二維薄層作為過渡區(qū)，可分開不同的鐵電或鐵磁性能。鉍鐵氧體的極化方向在疇壁上發(fā)生改變，從而可以產生靜電勢。該材料的菱形晶體能夠被誘導形成疇壁，可以71度、109度或180度地改變電場極化，從而產生光伏效應。
賽德爾和他的同事們還可以使用200伏的電脈沖來扭轉光伏效應的極性或將其完全關閉。這種光伏效應的可控性從來沒有在傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)中出現(xiàn)，這種新方法為納米光學和納米電子學的新應用鋪平了道路。
