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Solar Power

对硅太阳能电池进行超级充电

新材料技术可以提升硅电池效率的上限

by Katherine Bourzac
July 8, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 28

 

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Credit: Shutterstock
目前的硅太阳能电池(如图)具有29%的理论效率极限。 一种新材料技术可以将其提高到35%。

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麻省理工学院的研究人员已经证明,单层硅太阳能电池可以将高达35%的太阳能转化为有用电力,而目前的效率上限为29%(Nature 2019,DOI:10.1038/s41586-019-1339-4)。他们表示,诀窍涉及找到合适的材料组合,从而可以利用一种约40年前预测到的现象。

像硅这样的半导体擅长将一些波长的光转换成电能,但不是所有波长。半导体可用于发电的波长范围取决于材料的固有电特性,称为带隙。当材料吸收的光的波长比带隙范围内波长包含更多的能量时,超出的能量会以热量的形式浪费。如果研究人员可以扩大波长范围,太阳能电池就可以更有效地运行并输出更多电力。

为此,由麻省理工学院电气工程师Marc Baldo带领的研究人员转向了基础研究。当光子撞击太阳能电池时,会激发一对负电荷和正电荷,一个电子和一个“空穴”。这个电荷包是一个称为激子的准粒子。在硅中,当电子加入电流时,激子迅速分离。但在其它材料中,包括四环有机半导体并四苯,激子能够进行更奇特的移动。通过称为激子裂变的过程,具有特定量子自旋的激子可以分裂成两个具有不同自旋的低能激子。每个低能激子携带母体的一半能量。

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并四苯

四氢萘中的激子裂变有助于扩大硅太阳能电池可用于发电的波长范围,因为所产生的激子具有与该材料相容的能级。因此,并四苯可以吸收硅无法如何处理的光,产生激发,然后以相容的激子的形式将这种能量给硅,激发硅产生更强的电能。该配对最先由化学家David Dexter于1979年提出(J.Lumin。,DOI:10.1016/0022-2313(79)90235-7)。 Baldo当时说:“尚没有技术可以为这一工艺建造硅电池。”

自2009年以来,Baldo的实验室一直在寻找合适的解决方案。并四苯和硅需要一个“中间人”;一直以来很难找到合适的选择。硅的表面是一片键的森林,必须涂上保护层,使材料保持纯净。这个保护层称为钝化层,无法消除。但是这些保护层通常会破坏硅和并四苯之间的电荷流动。

经过多年的努力,麻省理工学院的研究小组发现,一个纳米厚度的氮化铪薄膜可以钝化硅,但可以让电荷通过。Baldo的团队现在已经证明这三种材料可以一起构建功能性太阳能电池。研究人员估计,含有并四苯的太阳能电池可能有35%的理论效率限制。

“太阳能领域没有任何与此类似的东西,”Baldo说。并四苯将激子分成两半,产生两个更适合硅太阳能电池的新激子。将这些基本物理学应用于真实商业产品的可能性,激励了Baldo十年来一直致力于解决这一问题。

加州大学河滨分校的光化学家Christopher Bardeen也对该团队的成果感到兴奋。他指出,Baldo团队之前已经证明过有机太阳能电池中的激子裂变,另外还有其他学者一直在研究其它新兴太阳能技术,如染料敏化太阳能电池。但是,Bardeen说,最近的这次研究是硅材料中的首次演示。

Baldo表示,到目前为止,硅电池的效率一直不如人意。这些器件的性能比现有的硅技术差。最大的挑战是,并四苯的子体激子往往比它们进入硅片时更快地融合在一起。

哥伦比亚大学的化学家Luis Campos表示,他的小组和其他学者正在研究并四苯和其他有机分子,以延长分裂激子的寿命。他说,Baldo的论文“对于有机化学家来说是一个巨大的绿灯,告诉我们,‘是的,我们应该对此进行研究。’”激子重组是一个困难的问题。“这是个障碍,”他说,“但我们只需要穿过这个障碍。”.

本文由Nina Sun为C&EN译为中文。英文原文在此。

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