傳統太陽能電池的效率可大幅度提高,一項新的研究探討了太陽能轉換機制,項目領導是得克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)化學家朱曉陽(Xiaoyang Zhu)。朱曉陽和他的研究小組發現,有可能使每一個陽光光子產生的電子數量增加一倍,只需使用一種有機塑料半導體材料。
“塑料半導體太陽能電池的生產具有很大的優勢,其中之一就是成本低,化學教授朱曉陽說。“結合潛力巨大的分子設計和合成,我們的發現打開了一扇大門,可以帶來一種令人興奮的新方法,進行太陽能轉換,可產生高得多的效率。
朱曉陽和他的小組發表了他們的開創性發現,就在12月16日的《科學》上,題為《觀察多激子狀態在單線態裂變中確保超快多電子轉移》(Observing the Multiexciton State in Singlet Fission Ensuing Ultrafast Multielectron Transfer)
今天使用的硅太陽能電池,最大理論效率大約為31%,因為照射到電池上的大部分太陽能量都太高,難以轉化為可用的電力。這種能量在形式上是“熱電子,會散發為熱量。捕獲熱電子有可能提高效率,使太陽能到電力的轉換效率達到66%。
朱曉陽和他的研究小組先前曾表明,可以捕獲這些熱電子,只需要使用半導體納米晶體。他們在2010年的《科學》上發表了那項研究,但朱曉陽說,靠那項研究,要實際實施一項可行的技術,還面臨很多挑戰。
“一件事情是,朱曉陽說,“要達到66%的效率,只有使用高度集中的陽光,不能只用原始自然陽光,就是通常照射到太陽能電池板上的陽光。這就會產生一些問題,因為要考慮設計一種新材料或設備。
為了規避這個問題,朱曉陽和他的小組已經找到一種替代方法。他們發現,一個光子會產生一個黑暗的量子“陰影狀態,隨后,可以從中有效地捕捉到兩個電子,以產生更多的能量,這要采用半導體并五苯(pentacene)。
朱曉陽說,利用這種機制,可以把太陽能電池效率提高到44%,不需要聚集太陽光束,這會促進更廣泛地使用太陽能技術。
這一研究小組牽頭的是陳煒倫(Wai-lun Chan),他是朱曉陽小組的博士后研究員,協助人員還有博士后研究員曼努埃爾 里格斯(Manuel Ligges),阿斯卡特 金勞柏克夫(Askat Jailaubekov),羅蘭 凱克(Loren Kaake)和路易斯 馬佳 阿維拉(Luis Miaja-Avila)幫助。這項研究的支持來自國家科學基金會和能源部。
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