混合材料助力太陽能電池提升效率

    鋰電世界  在光合作用中，植物只能將所吸收的10%的光能轉(zhuǎn)化為可用于化學(xué)反應(yīng)的氫氣。去年夏天，一組研究人員用一種高達(dá)44.7%效能的新電池刷新了原有實(shí)驗(yàn)室太陽能電池記錄，而且他們的終極目標(biāo)是讓新電池達(dá)到50%的效能。然而一種新的太陽能電池采用了將有機(jī)材料和無機(jī)材料混合的方式來推動(dòng)其效率超過95%，這將突破方才所述的那項(xiàng)記錄。這項(xiàng)研究由來自劍橋大學(xué)的Maxim Tabachnyk領(lǐng)導(dǎo)，并且論文已經(jīng)在Nature Materials上面發(fā)表。

    光子被太陽能電池吸收后會(huì)產(chǎn)生激子（電子激發(fā)態(tài)），從而促進(jìn)了光與物質(zhì)之間的相互作用。激子分為自旋單態(tài)和自旋三重態(tài)兩種類型。區(qū)別在于，肉眼能看見明亮的自旋單態(tài)激子且它也較容易通過太陽能電池獲取，而對(duì)不能看見的自旋三重態(tài)激子的捕捉顯得極為不易。但自旋三重態(tài)激子每吸收光子能提供兩個(gè)電子，可將功效最大化。而常見用于太陽能電池的無機(jī)材料硅，只能吸收自旋單重態(tài)激子，即每吸收一個(gè)光子提供一個(gè)電子。盡管可能不是最高效的材料，科學(xué)家們?cè)谟霉柚谱麟娐飞洗罅康慕?jīng)驗(yàn)使得它的發(fā)展過程變得容易一點(diǎn)。

    作為一種在樹葉里面發(fā)現(xiàn)的由五個(gè)相互銜接的苯環(huán)組成的有機(jī)分子，并五苯很容易吸收光子，釋放有高效能的自旋三重態(tài)激子。然而，不擅長(zhǎng)誘捕電子的它們不能得到機(jī)會(huì)大展身手。于是，Tabachnykt團(tuán)隊(duì)試著將兩種材料進(jìn)行結(jié)合，分別汲取兩大類型材料中的精華。

    “制造一個(gè)更優(yōu)質(zhì)的太陽能電池的關(guān)鍵是如何能夠?qū)⒉豢梢暤娜貞B(tài)激子中的電子提取出來”，Tabachny在新聞稿中說道，“如果我們能夠?qū)⑾癫⑽灞揭活惖挠袡C(jī)材料與以硅為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)材料進(jìn)行結(jié)合，這將有助于我們突破現(xiàn)有太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的瓶頸。”

    混合材料可以利用有機(jī)并五苯吸收暗處的三重態(tài)激子并且將它們快速轉(zhuǎn)移到無機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)用激光分光儀產(chǎn)生了幾飛秒為單位的光脈沖（飛秒，即1秒的一千萬億分之一），并發(fā)現(xiàn)這種混合材料在將三重態(tài)激子傳遞到半導(dǎo)體內(nèi)并獲得電子方面有超過95%的效率。而一旦到了半導(dǎo)體內(nèi)，電子的能量就可利用了。

    這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在深入推進(jìn)這項(xiàng)研究，以求將這種新知識(shí)創(chuàng)造成經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混合發(fā)電系統(tǒng)。他們正致力于研發(fā)一種便宜的有機(jī)鍍膜來吸收暗處的三重態(tài)激子并將它們傳送到一個(gè)硅太陽能電池中，以此來獲取能量提高和整個(gè)系統(tǒng)的效率。

    “將有機(jī)半導(dǎo)體的低成本易加工與無機(jī)半導(dǎo)體的高效結(jié)合起來，會(huì)幫助我們極大地提高類似用硅為原料的無機(jī)太陽能電池的效率,”AkshayRao,項(xiàng)目的首席投資者提出。