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從每個(gè)光子收集兩個(gè)電子的方法可以突破理論太陽能電池效率極限

2019-07-05 16:29  來源:麻省理工學(xué)院  瀏覽:  

在任何傳統(tǒng)的硅基太陽能電池中,總體效率存在絕對(duì)限制,部分基于這樣的事實(shí),即每個(gè)光子光只能敲擊單個(gè)電子,即使該光子攜帶兩倍所需的能量。但是現(xiàn)在,研究人員已經(jīng)證明了一種方法可以讓高能光子撞擊硅而不是一個(gè)電子,從而為新型太陽能電池打開了一扇門,其效率超出了人們的想象。

雖然傳統(tǒng)硅電池的絕對(duì)理論最大效率約為太陽能轉(zhuǎn)換率的29.1%,但麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員在過去幾年中開發(fā)的新方法可能會(huì)突破這一限制,可能會(huì)增加幾個(gè)百分點(diǎn)達(dá)到最大值。輸出。今天在自然雜志上發(fā)表了研究結(jié)果,研究生Markus Einzinger,化學(xué)教授Moungi Bawendi,電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Marc Baldo,以及麻省理工學(xué)院和普林斯頓大學(xué)的其他八位論文。

這項(xiàng)新技術(shù)背后的基本概念已為人所知數(shù)十年,六年前該團(tuán)隊(duì)的一些成員首次證明該原則可行。但實(shí)際上,將這種方法轉(zhuǎn)化為完整的,可操作的硅太陽能電池需要多年的努力,Baldo說。

最初的示范“是一個(gè)很好的測(cè)試平臺(tái)”,表明這個(gè)想法可以起作用,現(xiàn)在哈佛大學(xué)羅蘭學(xué)院的校友Daniel Congreve博士解釋說,他是前一份報(bào)告的主要作者,也是合著者。新論文 他說,現(xiàn)在,隨著新的結(jié)果,“我們已經(jīng)完成了我們打算做的事情”。

最初的研究證明了從一個(gè)光子產(chǎn)生兩個(gè)電子,但它在有機(jī)光伏電池中產(chǎn)生了這一點(diǎn),這種效率低于硅太陽能電池。事實(shí)證明,將兩個(gè)電子從由四氫萘制成的頂部收集層轉(zhuǎn)移到硅電池中“并不簡(jiǎn)單,”Baldo說。麻省理工學(xué)院化學(xué)教授特洛伊·范沃里斯(Troy Van Voorhis)是原始團(tuán)隊(duì)的一員,他指出這個(gè)概念最早是在20世紀(jì)70年代提出的,并且諷刺地說,將這個(gè)想法變成一個(gè)實(shí)用的設(shè)備“只用了40年”。

將一個(gè)光子的能量分成兩個(gè)電子的關(guān)鍵在于一類具有稱為激子的“激發(fā)態(tài)”的材料,Baldo說:在這些激子材料中,“這些能量包像電路中的電子一樣傳播”,但與電子的性質(zhì)完全不同。“你可以用它們來改變能量 - 你可以將它們切成兩半,你就可以將它們結(jié)合起來。” 在這種情況下,他們正在經(jīng)歷一個(gè)叫做單線態(tài)激子裂變的過程,這就是光的能量如何分裂成兩個(gè)獨(dú)立的,獨(dú)立移動(dòng)的能量包。該材料首先吸收光子,形成激子,該激子迅速經(jīng)歷裂變成兩個(gè)激發(fā)態(tài),每個(gè)激發(fā)態(tài)具有原始狀態(tài)的一半能量。

但棘手的部分是將能量耦合到硅中,硅是一種非激子的材料。以前從未完成過這種耦合。

作為一個(gè)中間步驟,該團(tuán)隊(duì)嘗試將來自激子層的能量耦合到稱為量子點(diǎn)的材料中。“它們?nèi)匀皇桥d奮劑,但它們是無機(jī)的,”巴爾多說。“這很有效;它就像一個(gè)魅力,”他說。他說,通過了解該材料中發(fā)生的機(jī)制,“我們沒有理由認(rèn)為硅不會(huì)起作用。”

Van Voorhis說,這項(xiàng)工作表明,這些能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵在于材料的表面,而不是它的體積。“因此很明顯硅上的表面化學(xué)變得非常重要。這就決定了那種表面狀態(tài)。” 他表示,對(duì)表面化學(xué)的關(guān)注可能是讓這支球隊(duì)在別人沒有的情況下取得成功的原因。

關(guān)鍵是在一個(gè)薄的中間層。“事實(shí)證明,這兩個(gè)系統(tǒng)之間的界面上的微小的微小材料條帶[硅太陽能電池和具有激子特性的并四苯層]最終定義了一切。這就是為什么其他研究人員無法使這個(gè)過程起作用的原因,為什么我們最終做到了。“ 他說,通過使用一層名為鉿氧氮化物的材料,Einzinger“終于破解了這種堅(jiān)果”。

Baldo說,這層只有幾個(gè)原子厚,或者只有8埃(十億分之一米),但它對(duì)于興奮狀態(tài)來說是一個(gè)“漂亮的橋梁”。這最終使得單個(gè)高能光子可以觸發(fā)硅電池內(nèi)的兩個(gè)電子的釋放。這使得光譜的藍(lán)色和綠色部分中給定量的太陽光產(chǎn)生的能量增加一倍??偟膩碚f,這可以使太陽能電池產(chǎn)生的功率增加 - 從理論最大值29.1%到最高約35%。

實(shí)際的硅電池尚未達(dá)到最大值,新材料也不存在,因此需要進(jìn)行更多的開發(fā),但現(xiàn)在已經(jīng)證明了有效耦合這兩種材料的關(guān)鍵步驟。“我們?nèi)孕枰獮檫@一過程優(yōu)化硅電池,”Baldo說。首先,對(duì)于新系統(tǒng),這些單元可以比當(dāng)前版本更薄。還需要完成穩(wěn)定材料的工作以確保耐用性。該團(tuán)隊(duì)表示,總體而言,商業(yè)應(yīng)用可能還需要幾年時(shí)間。

提高太陽能電池效率的其他方法傾向于在硅上添加另一種電池,例如鈣鈦礦層。Baldo說“他們正在建造一個(gè)電池。從根本上說,我們正在制造一個(gè)電池 - 我們對(duì)硅電池進(jìn)行渦輪增壓。我們正在向硅片添加更多電流,而不是制造兩個(gè)電池“。

研究人員測(cè)量了氮氧化鉿的一個(gè)特殊性質(zhì),它可以幫助它轉(zhuǎn)移激子能量。“我們知道氮化鉿會(huì)在界面處產(chǎn)生額外的電荷,通過稱為電場(chǎng)鈍化的過程減少損耗。如果我們能夠更好地控制這種現(xiàn)象,效率可能會(huì)提高甚至更高。” Einzinger說。到目前為止,他們測(cè)試的其他材料都無法與其屬性相匹配。

該研究得到了美國(guó)能源部資助的麻省理工學(xué)院激勵(lì)中心的支持。

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