突破極限：鐵電域操控提升鈣鈦礦晶體發電效能

研究團隊在多功能能源收集領域取得重大進展，其最新研究深入探討了鐵電晶體中的光伏效應。這項名為「交流極化對Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃單晶體積光伏效應影響之研究」的論文，發表於《Advanced Electronic Materials》期刊，報告了團隊如何透過操控氧化物鈣鈦礦晶體中的鐵電域，提升體積光伏效應（BPVE）的電能輸出。

「傳統太陽能電池利用半導體的p-n接面來收集太陽能並轉化為綠色電力。雖然p-n接面已發明超過一個世紀，並廣泛應用於矽產業，但BPVE則是1960至1970年代才被發現的物理現象。」微電子研究單位的副教授白楊解釋道，「BPVE不依賴p-n接面來運作，它形成自己的『自接面』，理論上可能突破Shockley-Queisser極限，使單一p-n接面太陽能電池的效率更高。」

然而，目前BPVE的實際應用仍面臨挑戰，因為其輸出功率與p-n接面光伏電池相比仍微不足道。在這項研究中，白楊的團隊證明，透過建立堆疊域結構，可以將BPVE電池的輸出功率提升35%。域是指自發極化方向相同的次微米級區域，可透過施加外部電場來切換。

白楊團隊的BPVE裝置電能輸出提升，是透過施加交流極化電場實現的。在這種電場下，晶體內的微結構（域）會比傳統直流電場下更好地對齊。移除電場後，域仍保持這種更好的對齊狀態。更好的域對齊有助於減少電荷載子的複合，從而提高能量轉換效率。這項研究的結果為開發更高效的BPVE電池鋪平了道路，未來可應用於光子、計算、感測和能源收集裝置。

「首批具體應用將出現在小規模感測和計算裝置中，除了電訊號外，我們還可以輸入不同波長的光作為操作的額外自由度。例如，我們之前已證明BPVE可用於無濾波器的彩色感測器。其他例子包括神經形態計算元件和物聯網裝置的多源能量收集器。」白楊補充道。

儘管已取得突破，但未來仍有許多研究工作要做。白楊清楚挑戰所在，未來的目標也很明確。「雖然我們在材料內部的工作機制上有所進展，但挑戰仍在於材料的能隙。理想情況下，我們需要一種同時具有窄能隙（以最大化可見光吸收）和大自發極化（以最大化開路電壓）的材料。」

「目前這類材料的選擇有限，大多數現有材料只具備窄能隙或大自發極化中的一種，而非兩者兼具。在不久的將來，我們將嘗試擴充套件材料選擇。」白楊總結道。除了白楊，研究團隊還包括Vasilii Balanov、Jani Peräntie、Jaakko Palosaari和Suhas Yadav。