科学家首次研制出高铟含量三元光电晶体

空间生长的铟镓砷-锑三元光电晶体(于课题组摄)

日前，记者从中科院上海硅酸盐研究所了解到，于的研究团队在研究空间晶体生长方面取得了重要进展。铟含量高达11%且成分均匀的InxGaxSb三元光电晶体在世界上尚属首次。相关的研究结果发表在国际学术期刊《npj微重力》上。

2016年4月，中国第一颗微重力科学实验卫星"实践10号"可回收科学卫星将上海硅酸盐研究所和中国科学院其他研究机构联合开发的空间材料科学实验有效载荷"多功能材料合成炉"送入空间，以开展科学实验。这项成果来自实验卫星中的“多功能材料合成炉”。

大功率，帮助城市垃圾焚烧热能“发电”

xGaxSb三元光电晶体到底是什么？日常生活中的重要角色是什么？

于告诉《中国科学》记者，光电晶体是将光能转化为电能的晶体。InxGaxSb三元光电晶体主要含有铟、镓和锑。它不仅是一种重要的红外光电器件材料，也是一种高效的热光伏晶体材料。

“在我们的日常生活中，城市垃圾燃烧时会产生热能。如果辐射热能转化成电能，那是环保和经济的。这就需要发挥热光伏系统的作用”。于解释说，热光伏系统是基于热光伏技术——红外光伏能量转换技术，由四个基本组件组成:热源、散热器、滤光片和热光伏电池。热光伏电池是系统的核心部件，可以有效利用热辐射器发出的光子能量，通过光电转换过程产生电能。

目前，InxGaxSb三元光电晶体是高效热光伏电池的最佳半导体材料之一于表示，可以通过改变铟和镓的组成比例来调整禁带宽度，从而充分吸收各种光谱的辐射能，获得较高的热光伏转换效率。“垃圾在焚烧过程中辐射不同波长的光谱。当三元光电晶体的铟含量达到11%左右时，它能最大限度地吸收这种光谱

利用太空返回地球

为什么这种高浓度、高铟含量的铟镓铟三元光电晶体不能在地球上“自然生长”，而应该在太空环境中生长呢？于解释说，由于InxGaxSb三元光电晶体的固液线分离较广，在地球重力对流作用下容易发生成分偏析，目前只能在地面上生长铟含量为3%的InxGaxSb三元光电晶体，限制了其在热光伏系统中的应用。

多年来，国内外已经开展了一系列铟镓硒-锑镓硒晶体的空间生长实验，但高铟含量的铟镓硒-锑镓硒三元光电晶体尚未开发。

于带领团队与日本空间科学研究所开展国际合作。经过3年多的地面匹配实验，他在太空中进行了晶体生长实验。研究人员专门为太空晶体设计了一个抗冲击的“生长室”——一个生长安瓿——以承受火箭发射的加速。研究人员利用电子显微镜、电子探针、电子背散射衍射仪等设备对生长的晶体进行了系统分析，最终确认在空间微重力条件下获得了成分均匀一致、铟含量高的InxGaxSb(x=0.11)三元光电晶体。

“太空环境的利用只是为了重返地球，”于丁健说。“我们将使用空间参数来研究空间的生长机制，并在地面上开发具有相同铟浓度的三元光电晶体，以降低应用转换成本。”

相关研究论文:https://www.nature.com/articles/s41526-019-0068-1