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新的太阳能电池转化方法被提出

发布时间:2019/7/5  新闻类别:新闻资讯 点击次数:47

数千年来,人类一直在通过各种方式利用太阳的巨大能量。地球上任一时刻接收的太阳能总量约为1017瓦,而全球电力需求约为1012瓦。尽管太阳能似乎无处不在,但在美国仅有1.3%的电力是由太阳能提供的。因此,太阳能电池产业仍有巨大的增长机会,能为世界人口提供清洁和可再生能源。巨大的经济潜能推动了能源领域的发展。为了更好地利用太阳能,研究人员不断致力于使这些太阳能设备更耐用,更有效地将太阳光转化为电能。在今天《自然》杂志的一篇文章中,Einzinger等提出了一种提高太阳能电池效率的潜在方法。


在不提升技术或成本的情况下,想要实现高度优化的太阳能电池效率,难度很大,但这是一个潜在的变革目标,值得继续推进。硅太阳能电池目前在市场上占主导地位,但电池的转化效率限制很大。1961年,科学家就发现太阳能电池最明显的缺陷是高能光子会产生不必要的热量。因此,传统的硅太阳能电池只能将30%的太阳能辐射转化成电能,还远远不能说完美。克服这一障碍的策略包括:将不同的太阳能电池串联成组件,或者在转换成电能之前找到分离光子能量的方法。


Einzinger及其同事发现,太阳能高能光子的吸收过程会产生高能激发效应,而在分子层可以把高能激发效应转化为两个低能激发效应,然后通过精心设计的界面转移到硅太阳能电池中,在那里进一步转化成电能。整个过程不需要额外的电流接触,也无需改变太阳能电池本身的操作内容。这将大大减少太阳能热量的损耗,也将有利于太阳能硅电池提升发电效率,可以达到目前最高电池效率的1.4倍水平。


 



 


图说:在Einzinger等人报道的实验中,硅太阳能电池的顶部表面被氮氧化铪的超薄涂层覆盖,涂层顶部沉积着一层并四苯的材料。并四苯层吸收高能光子,产生单重态激子,即电子的束缚状态和具有零自旋(磁矩)的空穴(电子空位)。该单重态激子经过一个单线态裂变的过程后,产生两个三重态激子,呈现出1个自旋的电子和电子空位的配对形态。接下来,这些激子通过氮氧化铪转移到太阳能电池中。最后,电子和电子空位扩散到器件底部相应的电触点,完成了产生电流的整个过程。


从一个吸收的光子形成一对低能激发效应的过程,称为“单线态裂变”,这种机制吸引了人们的兴趣,主要是因为它有可能增加太阳能能量的吸收。能实现单线态裂变的原材料是结晶并四苯,这种材料将(高能量的)蓝光或绿光分成两个激发形式,其能量类似于硅的最低能量激发。这种能量匹配使得并四苯和硅成为单线态裂变产物转移的潜在理想载体。研究人员之前使用并四苯和硅太阳能电池的组合,来寻找单线态裂变引发效率增强的证据,但是并不清楚将低能激发转移到太阳能电池中的关键步骤。


在单线态裂变中,高能激发是单重态激子,处于电子和电子空位的束缚状态,电子空位具有零磁矩(即零自旋)。低能激发是三重态激子,即电子—空穴组合,其自旋为1。与它们的单重态对应物不同,由于量子力学自旋选择规则,三重态激子不能通过辐射的方式返回基本状态。该限制延长了它们的寿命,但是抑制了共同的能量转移机制,否则该能量转移就能够通过例如厚的钝化层(保护太阳能电池表面免受污染的惰性材料)进行激发的长程转移。


1979年,物理学家David Dexter提出并四苯层可用于硅太阳能电池顶部。他设想由单线裂变产生的两个三重态激子可以通过激发过程,有效地转移到太阳能电池中,电池通过吸收太阳光中的蓝色光和绿色光,进而使产生的电流得到加倍。


然而,这种机制只具有短程特点,并且只有通过超薄屏障时才能有效地发生。这种屏障通常不足以钝化诸如硅的半导体表面,导致功率损失,使单线态裂变的有益效果无法体现出来。虽然具备光学特性的并四苯是这种能量转移过程的理想载体,但因为它通电性能不好,使它很难直接集成到高效太阳能电池中。


目前,Einzinger及其同事所开发的太阳能电池的效率相对较低,整体设计也还需要进一步的优化。氮氧化铪能够使硅表面钝化,但前几个注入的电子和电子空穴会首先填充硅表面的缺陷,然后进入到太阳能电池中。这一发现表明硅的表面仍然不完美,但仍然显示了这种策略在太阳能电池运行中是可用的。另外,目前的理论还没能很好地描述三重态激子转移的机制,以及它进行加速的原因。尽管如此,人们已经开始研究有效三重激子是如何向硅转移的,假以时日,Dexter的梦想很有可能成为现实。


 
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