随着经济的发展，人们居住环境的改善，绿色、和谐、可持续的清洁能源受到了人们的青睐。太阳能因其资源广大、绿色洁净、不受地理位置限制等成为众多新能源的首选。受肖克利-奎伊瑟效率极限(Shockley-Queisser Limit)的限制，太阳能电池的效率仍然较低。
科学家们经过多年的研究发现，具有某种不对称结构的材料同时展现出铁电性及铁磁性，以及多种耦合效应，这就是所谓的多铁性材料，其铁性耦合，大大拓宽了多铁性材料的应用范围。
上世纪七十年代在研究多铁材料的光电子学性质时，科学家们发现了一种新的重要物理效应——铁电光伏效应。该效应与传统p-n结的光伏效应存在本质区别，因此又被称为反常光伏效应或体光伏效应。近年来，随着对能源问题研究的持续升温，研究人员将具有合适带隙结构的多铁性材料作为器件的光吸收层引入太阳能电池，从而构成了新型多铁基太阳光伏器件。目前，科学家们关于铁电光伏效应的物理机制提出了多种理论，然而最被人们接受的是认为该效应与材料的极化特性密切相关。2015年，加拿大科学家Riad Nechache和Federico Rosei研究了基于双钙钛矿Bi2FeCrO6薄膜的多铁太阳能电池带隙调控及铁电光伏效应的调控机制。这表明铁电极化对电池光伏相应的调控切实可行。
磁场和光之间也存在着一定的关系，既然铁电极化能够调节太阳能电池性能，那么集电和磁于一身的多铁材料能否通过外加磁场对电池光伏响应进行调控呢？这种调控的机制又是什么呢？
近日，贵州大学大数据与信息工程学院贵州省电子复合材料重点实验室邓朝勇教授科研团队的郭凯鑫博士等揭示了多铁性材料调控器件光伏特性的关键。该研究以"Multiferroic oxide BFCNT/BFCO heterojunction black silicon photovoltaic devices"为题发表在Light: Science & Applications上。研究人员设计了一种多铁性异质结太阳能电池，其光电转换效率为3.90%。经过30天的稳定性跟踪测试，该电池仍然保持了90%的初始效率。同时，他们从内建场驱动载流子分离和相关带隙变化两方面入手研究了外加极化场和磁化场对器件光伏响应的调节机制，这对提高太阳能电池的效率具有重要意义。
该太阳能电池以多铁性铋层类钙钛矿异质结为中心，黑硅作为光收集和背散射层。吸收层的多铁性使其同时显示铁电性、铁磁性和各种耦合，从而为光伏响应的相应调节提供了基础。因此，他们试图通过施加电场和磁场来调节装置的性能。结果表明，铁电极化和磁化都能有效地调节光伏响应。研究人员总结了其调节机制：
除了众所周知的Rashba效应外，这一调节主要与内建场驱动载流子分离和相应的带隙变化有关。由铁电极化引起的退极化场和由压电效应引起的极化电场由于方向的不同会促进(或阻碍)光生电子和空穴的定向运动。另外，极化方向两端电荷的聚集导致吸收层势垒高度的改变，从而改变了原始能带结构。
同时，由于Zeeman效应，系统中过渡金属原子的能级将被极化、分裂，使这些杂质能级偏离带隙中心，降低了复合中心对少数载流子的复合率，延长少数载流子的寿命，从而提高太阳能电池的效率。
该项技术操作简单、易于推广，能够可控地提高光伏器件的性能，其环境友好性和较高的稳定性使其有望在新型太阳能电池领域展露头角。这项研究将为多铁性材料的应用和未来高性能光伏器件的设计提供参考。
图1 (a)电池结构与相关层形貌, (b)磁场中器件能带的变化, (c), (d)不同极化方向的能带变化。
图2 多铁性对器件光伏性能的调控。(a), (b)分别为外加磁场和电场对器件光伏响应的调控, (c), (d)光照对铁电极化的影响。
本文第一作者为贵州大学郭凯鑫博士，王旭教授为共同一作，贵州大学邓朝勇教授为通讯作者
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