太陽能電池的廢熱困擾科學(xué)家多年,好比目前已量產(chǎn)的單晶硅與多晶硅的太陽電池,硅晶電池轉(zhuǎn)換效率平均效率落在 20% 上下,也就是說,太陽電池只能將 20% 入射陽光轉(zhuǎn)換成電能,其余的 80% 都浪費或變成無用反傷的熱能。
太陽能板無法吸收所有能量,若是光能小于半導(dǎo)體材料能隙,就無法將電子推送到導(dǎo)帶,也不能產(chǎn)生電力;當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的能隙,半導(dǎo)體也只會吸收相對能隙的能量并產(chǎn)生電子電洞對,其余能量則被稱為「熱載子」,這些熱載子會在短短幾皮秒(10-12秒)內(nèi)冷卻并釋放出聲子,也就是透過晶格振動將能量以廢熱釋出。
其中鈣鈦礦太陽能雖然以制造成本低、轉(zhuǎn)換效率高、應(yīng)用廣而聞名,但它也逃不了會產(chǎn)生廢熱的課題,現(xiàn)在荷蘭格羅寧根大學(xué)與南洋理工大學(xué)決定捕獲那些「熱載子」,在載子復(fù)合、釋出聲子之前把高能量的載子傳遞至外部電路。
近年來科學(xué)家已注意到典型的鹵化物鈣鈦礦太陽能能降低熱載子的冷卻速度,因此該團隊決定尋找能跟鈣鈦礦電池搭配、又能快速吸收熱電荷的材料,去年格羅寧根大學(xué)的研究就指出,若能捕獲并善用熱電子,混合鈣鈦礦太陽能的最大效率可以從 33% 提高到 66%。
最近他們發(fā)現(xiàn)有機化合物 bphen (注)與鈣鈦礦或許是個合作好伙伴,格羅寧根大學(xué)與南大科學(xué)家使用飛秒(10-15秒)脈沖激光器(femtosecond pulsed lasers)等多個超快雷射脈沖來一探新型太陽能電池到底如何運作,用比相機閃光燈快 1 兆倍的速度來看結(jié)果是否符合期待。
結(jié)果指出,該有機化合物的能隙較大,足以吸收熱電子的能量,且鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)生的熱電子能階剛也好比 bphen 能隙還要大,不會激發(fā)化合物中的電子,只是要需要克服兩種材料的接面障礙問題。未來科學(xué)家則打算實際打造出 bphen 鈣鈦礦太陽能電池,或許真的能為鈣鈦礦太陽能開辟新的道路。目前研究已發(fā)表在《Science Advances》。