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【前沿】混合材料助力太阳能电池提升效率

导读: 在光合作用中,植物只能将所吸收的10%的光能转化为可用于化学反应的氢气。去年夏天,一组研究人员用一种高达44.7%效能的新电池刷新了原有实验室太阳能电池记录,而且他们的终极目标是让新电池达到50%的效能。

   在光合作用中,植物只能将所吸收的10%的光能转化为可用于化学反应的氢气。去年夏天,一组研究人员用一种高达44.7%效能的新电池刷新了原有实验室太阳能电池记录,而且他们的终极目标是让新电池达到50%的效能。然而一种新的太阳能电池采用了将有机材料和无机材料混合的方式来推动其效率超过95%,这将突破方才所述的那项记录。这项研究由来自剑桥大学的MaximTabachnyk领导,并且论文已经在NatureMaterials上面发表。

  光子被太阳能电池吸收后会产生激子(电子激发态),从而促进了光与物质之间的相互作用。激子分为自旋单态和自旋三重态两种类型。区别在于,肉眼能看见明亮的自旋单态激子且它也较容易通过太阳能电池获取,而对不能看见的自旋三重态激子的捕捉显得极为不易。但自旋三重态激子每吸收光子能提供两个电子,可将功效最大化。而常见用于太阳能电池的无机材料硅,只能吸收自旋单重态激子,即每吸收一个光子提供一个电子。尽管可能不是最高效的材料,科学家们在用硅制作电路上大量的经验使得它的发展过程变得容易一点。

  作为一种在树叶里面发现的由五个相互衔接的苯环组成的有机分子,并五苯很容易吸收光子,释放有高效能的自旋三重态激子。然而,不擅长诱捕电子的它们不能得到机会大展身手。于是,Tabachnykt团队试着将两种材料进行结合,分别汲取两大类型材料中的精华。

  “制造一个更优质的太阳能电池的关键是如何能够将不可视的三重态激子中的电子提取出来”,Tabachny在新闻稿中说道,“如果我们能够将像并五苯一类的有机材料与以硅为代表的传统半导材料进行结合,这将有助于我们突破现有太阳能电池转换效率的瓶颈。”

  混合材料可以利用有机并五苯吸收暗处的三重态激子并且将它们快速转移到无机半导体内。这个团队用激光分光仪产生了几飞秒为单位的光脉冲(飞秒,即1秒的一千万亿分之一),并发现这种混合材料在将三重态激子传递到半导体内并获得电子方面有超过95%的效率。而一旦到了半导体内,电子的能量就可利用了。

  这个研究团队正在深入推进这项研究,以求将这种新知识创造成经济实用的混合发电系统。他们正致力于研发一种便宜的有机镀膜来吸收暗处的三重态激子并将它们传送到一个硅太阳能电池中,以此来获取能量提高和整个系统的效率。

  “将有机半导体的低成本易加工与无机半导体的高效结合起来,会帮助我们极大地提高类似用硅为原料的无机太阳能电池的效率,”AkshayRao,项目的首席投资者提出。

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