三元光電晶體:本領(lǐng)高強(qiáng),助力城市垃圾焚燒熱能“發(fā)電”

從中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所獲悉，該所余建定研究員團(tuán)隊(duì)在太空晶體生長(zhǎng)研究中取得重要進(jìn)展，在國(guó)際上首次研制出銦含量高達(dá)11%且成分均勻、一致的InxGa1-xSb三元光電晶體。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《微重力》（npj Microgravity）。

2016年4月，我國(guó)首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)衛(wèi)星搭載著由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合研制的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)有效載荷—“多功能材料合成爐”進(jìn)入太空開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)成果就源自實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星里的“多功能材料合成爐”。

本領(lǐng)高強(qiáng)，助力城市垃圾焚燒熱能“發(fā)電”

InxGa1-xSb三元光電晶體到底是什么？在日常生活中有什么重要的作用呢？

余建定告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，光電晶體，就是將光能轉(zhuǎn)換為電能的晶體。InxGa1-xSb三元光電晶體，主要含銦、鎵、銻三種元素。它不僅是重要的紅外光電器件材料，而且是高效的熱光伏晶體材料。

“在日常生活中，我們的城市垃圾焚燒時(shí)產(chǎn)生熱能，若能把輻射熱轉(zhuǎn)換為電能，環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。這就需要發(fā)揮熱光伏系統(tǒng)的作用了”。余建定解釋說，熱光伏系統(tǒng)基于熱光伏技術(shù)——紅外光伏能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，由熱源、熱輻射體、光學(xué)濾波器和熱光伏電池四個(gè)基本組件組成。而熱光伏電池是這個(gè)系統(tǒng)的核心組件，能有效利用熱輻射體發(fā)出的光子能量，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生電能。

“目前，InxGa1-xSb三元光電晶體是最佳高效熱光伏電池的半導(dǎo)體材料之一?！?余建定說，我們可通過改變銦和鎵的成分比來調(diào)控其禁帶寬度，從而充分吸收多種光譜的輻射能量，獲得高熱光伏轉(zhuǎn)換效率。“垃圾在焚燒時(shí)輻射出不同波長(zhǎng)的光譜，當(dāng)三元光電晶體銦含量達(dá)到11%左右時(shí)，能最大范圍吸收該類光譜。”

利用太空，回歸地球

為什么這個(gè)高濃度含銦量的InxGa1-xSb三元光電晶體不能在地球上“自然生長(zhǎng)”，而要利用太空環(huán)境生長(zhǎng)呢？余建定解釋，因?yàn)镮nxGa1-xSb三元光電晶體固液線分離比較寬，在地球重力對(duì)流的作用下極易產(chǎn)生成分偏析，所以目前在地面上只能生長(zhǎng)出含銦量為3%的InxGa1-xSb三元光電晶體，制約了其在熱光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用。

多年來，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一系列InxGa1-xSb晶體的空間生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，但一直未能研制出高銦含量的InxGa1-xSb三元光電晶體。

余建定帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與日本宇宙科學(xué)研究所開展國(guó)際合作，經(jīng)過3年多的地面匹配實(shí)驗(yàn)后在太空進(jìn)行晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。研究人員專門為空間晶體設(shè)計(jì)了耐撞擊的“成長(zhǎng)小屋”——生長(zhǎng)安瓿，以承受火箭發(fā)射時(shí)的加速度?？蒲腥藛T利用電子顯微鏡、電子探針和電子背散射衍射儀等設(shè)備，對(duì)長(zhǎng)成的晶體進(jìn)行系統(tǒng)分析，最終確認(rèn)獲得了空間微重力條件下成分均勻一致的高銦含量InxGa1-xSb（x=0.11）三元光電晶體。

“利用太空環(huán)境，只是為了回歸地球”，余建定說，“我們下一步將利用空間參數(shù)研究太空生長(zhǎng)機(jī)理，在地面上研制同濃度銦含量的三元光電晶體，降低應(yīng)用轉(zhuǎn)化成本”。