注：本文來源于中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所
科學(xué)評論：撓曲電光伏效應(yīng)能提高太陽能電池的效率？非也！
光伏效應(yīng)已經(jīng)得到廣泛的研究，并作為清潔能源應(yīng)用于各種設(shè)備。然而，其開路電壓受半導(dǎo)體的帶隙能帶限制，效率較低。體光伏效應(yīng) （bulk photovoltaic effect）能夠產(chǎn)生極大的光生電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相應(yīng)半導(dǎo)體的帶隙，但其短路電流異常低，整體發(fā)電效率極低；同時(shí)，具有體光伏的材料通常受限于寬帶隙非中心對稱材料體系。Yang, Kim and Alexe 等人在《科學(xué)》上報(bào)道了撓曲電光伏效應(yīng)[1]（Flexo-electric photovoltaic effect, 以下統(tǒng)稱為“該文”），即通過半導(dǎo)體中的應(yīng)變梯度，可以在任何半導(dǎo)體中產(chǎn)生體光伏效應(yīng)，同時(shí)能產(chǎn)生非常大的光伏電流（該文宣稱電流提高了兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)），并認(rèn)為通過該效應(yīng)可以極大提高太陽能電池的效率。
最近，由鄒海洋博士，張春利博士，薛昊博士和吳治嶧博士等組成的由王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，機(jī)制原理，和結(jié)論分析等方面對該文進(jìn)行討論，認(rèn)為該文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不合理，用于計(jì)算分析的物理模型不合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法支持物理模型，結(jié)論陳述有明顯的誤導(dǎo)和錯(cuò)誤。作者們認(rèn)為該文對學(xué)術(shù)界和公眾認(rèn)知存在重大誤導(dǎo)，非常有必要指出其存在的問題和疑問。其評論的原文發(fā)在了ACS Nano[2] 。
首先，Yang, Kim and Alexe提供的數(shù)據(jù)不一致。文中宣稱電流有兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)的提高，而支撐材料中大量的數(shù)據(jù)卻表明電流提高倍數(shù)都低于20倍。在納米尺度下，強(qiáng)壓力會(huì)引起諸多參數(shù)極大地變化，包括AFM 針尖和晶體形變引起接觸面積，接觸電阻等的變化，因而電流發(fā)生變化的原因則存在了很多可能性。
第二，沒有有效數(shù)據(jù)證明實(shí)驗(yàn)中是否產(chǎn)生了撓曲電效應(yīng)以及其強(qiáng)度。Yang, Kim and Alexe文中沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只有計(jì)算試圖驗(yàn)證撓曲電的產(chǎn)生，而其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)際情況與所用物理計(jì)算模型的基本適用條件完全不符，計(jì)算結(jié)果將應(yīng)力梯度極大放大，得到了完全偏離實(shí)際的結(jié)果。
第三，沒有任何有效證據(jù)證明該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了體光伏效應(yīng)。Yang, Kim and Alexe文中所得到的電流和偏振光角度的變化沒有太大關(guān)系（與電流總值相比，電流波動(dòng)幅度1pA非常小），這與體光伏效應(yīng)的這一特性的典型曲線不符。
第四，沒有數(shù)據(jù)體現(xiàn)出撓曲電光伏理論中的極化現(xiàn)象。極化電勢會(huì)對I-V兩端曲線產(chǎn)生不對稱的變化，而在Yang, Kim and Alexe文中的出現(xiàn)的是對稱變化，這更可能是壓阻效應(yīng)的結(jié)果，而不是具有極化效應(yīng)的撓曲電或體光伏。
第五，沒有任何數(shù)據(jù)表明撓曲電光伏效應(yīng)能大大提高太陽能電池的效率以及突破SQ效率限制。太陽光與該文中所用的極化激光有著極大地本質(zhì)不同。另外，Yang, Kim and Alexe文中得到的電壓仍在帶隙內(nèi)，電流的量級(jí)（pA，nA）依舊異常低，無法得到高效的光電轉(zhuǎn)換。也沒有任何理由相信，通過大面積的探針陣列壓在普通太陽能電池上就可以產(chǎn)生體光伏來提高電流，電壓或者效率。另外，強(qiáng)外力作用下的探針陣列會(huì)影響光吸收，反射，電阻，增加材料缺陷，影響太陽能的性能和壽命。
評論文章里提出了30個(gè)Yang, Kim and Alexe文章中存在的具體問題和質(zhì)疑，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)無法證明產(chǎn)生了撓曲電光伏效應(yīng)，更無法證明該效應(yīng)是電流提高的主要原因，因此，撓曲電光伏效應(yīng)能提高太陽能電池效率的結(jié)論不能成立。
參考文獻(xiàn)：
[1] M. M. Yang, D. J. Kim, M. Alexe, Science 2018, 360, 904.https://science.sciencemag.org/content/360/6391/904
[2] 評論原文：Haiyang Zou, Chunli Zhang, Hao Xue, Zhiyi Wu, Zhong Lin Wang*, “Boosting the Solar Cell Efficiency by Flexo-photovoltaic Effect?”, ACS Nano, 13 (2019) 12259-12267. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07222
