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美研制新型太阳能电池可捕获损失能量消除损耗

编辑:中山亨利仪表电缆有限公司   字号:
摘要:美研制新型太阳能电池可捕获损失能量消除损耗


研究人员开发出能够比一个光子产生一个电子的模式收获更多电子的太阳能电池。

图片来源:《科学》/AAAS

研究人员日前研制出一种新型太阳能电池,能够捕捉到阳光中通常以热量损失掉的额外能量。迄今为止,这种新型太阳能电池将阳光转化为电能的效率依然低于商用太阳能电池。然而如果这一过程得到改进,将为研制新一代更高效的太阳能电池铺平道路。

对大多数材料而言,阳光的光子向电能的转化已被充分搞清。不同颜色的光子具有不同的能量。在可见光区,红色与橙色具有较少的能量,然而蓝色、紫色和紫外光子则携带了较多的能量。当高能光子接触到太阳能电池中的半导体材料时,它们便会把这种能量转移给半导体电子,从而将其从静止状态激发,并形成电流。在许多情况下,紫光和紫外线的高能光子携带的能量要多于形成电流所需的能量。但是这些额外的能量都以热量的形式损失了。

几年前,来自多个研究小组的科学家报告说,阳光中的高能光子实际上能够激发不止一个电子,前提是它们所碰到的半导体由一种名为量子点的纳米级微粒构成。这一过程——被称为多重激子发生(MEG)——为研究人员通过收集这些额外的电荷从而改进太阳能电池的效率带来了希望。然而制造能够工作的MEG太阳能电池却不是一件容易事。

去年,由美国拉勒米市怀俄明州立大学的化学家Bruce Parkinson领导的研究小组在《科学》杂志上报告说,他们开发出一种装置,即在一种半导体上覆盖了一层硫化铅量子点,能够激发出比它所接收到的光子数量更多的电子,从而产生了更大的电流,而这正是MEG的特征。然而与一枚能够实际应用的太阳能电池相比,这种装置更多的是对概念的证明,原因是它的转化效率过低。

如今,由科罗拉多州国家再生能源实验室的化学家Arthur Nozik领导的研究小组报告说,他们研制出第一枚能够工作的MEG太阳能电池。Nozik表示,制造这种装置的关键就是想出一个化学合成的方法,随后再对量子点进行处理。在合成时,这些量子点——由直径约5纳米的铅和硒微粒构成——与长有机分子结合在一起。然而之前的研究表明,这些长有机链就像是包裹在电线周围的塑料绝缘体。

因此Nozik的研究小组用两种无色液体——联氨和1,2-乙二硫醇——处理了他们的量子点,从而使其被短链有机物所包围。这样使得电荷更容易移动,并最终使太阳能电池将光变为电的总效率达到5%。研究小组在最新一期出版的《科学》杂志上报告了这一研究成果。尽管这一效率依然低于传统的硅太阳能电池——约为20%,但重要的是,这种装置采集的电荷数比击打量子点的光子数多了30%,从而使其成为真正意义上的MEG太阳能电池。

Parkinson表示:“他们将它变成了一种真正的装置,并证明其能够采集真正的能量……从而为下一代太阳能电池的设计带来了希望。”赵路

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