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量子力学研究助突破极限,硅太阳能理论转换效率可望跃升至 35%

2024-11-01 209

虽然说硅晶太阳能是目前光电技术的当红炸子鸡,但它仍无法将所有的光转换成电,当光子能量小于硅的能隙时,硅电池就无法吸收这些光子,使得硅晶太阳能转换效率到 29% 即触顶,不过美国麻省理工团队已找出解决办法,有望将理论转换效率提高到 35%。

基本上人们无法找到能 100% 转换所有光的材料,根据太阳能领域闻之色变的萧基‧奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit ),半导体无法吸收能量小于自身能隙的光子,即使光子能量大于能隙,半导体吸收光子后还是只能产生跟自身能隙一样的能量,其他能量会以热的形式散失。

因此不管用什么材料来制成太阳能电池,转换效率都无法达到 100%,最高也只能转换 33.7% 太阳光。不过最近麻省理工团队已找到办法攻克硅晶太阳能的极限,或许能将转换效率突破 29%。

通常当光子被电池吸收时,其中的 PN 接面会产生电子电洞对(electron-hole pair,也称为激子),在内建电场的作用下,受到刺激的电子和失去电子的电洞会朝相反方向移动,进而产生电流与电压。

而麻省理工团队希望能透过量子力学中的单重态激子分裂(singlet exciton fission),让激子在吸收到光子之后从一分裂成二、进而产生多个三重态激子(triplet exciton),使高能量光子可产生两对电子电洞对。

▲ 单重态激子裂变的示意图。(Source:麻省理工)

在这实验中,如何产生单重态激子裂变?如何让硅晶太阳能吸收到更多的光?这些都是重点。团队首先选择有机物并四苯(tetracene)来进行研究,从过去的实验,麻省理工团队已得知四苯含不仅含有三重态激子,还可以吸收光蓝绿光波长,使硅层能吸收能量较低的光子。

至于并四苯与硅晶太阳能电池之间的“桥梁”,他们则透过氮氧化铪(hafnium oxynitride)来制成钝化层(passivation layer),其中钝化层主要是用来改善光吸收与鉴结稳定度,科学家可以透过沉积技术来控制氮氧化铪钝化层的厚度,最终也成功制造出 0.8 奈米厚的钝化层。

(Source:nature)

麻省理工电机工程与电脑科学教授 Marc Baldo 表示,虽然它只有薄薄一层,但它对于激发态分子来说是个“完美的桥梁”,能让蓝光与绿光等高能光子变成三重态激子,释放两个电子到硅晶太阳能中,进而提高能量产出。

Baldo 总结,简单来说,这可以提高太阳能转换效率,从理论的最高点 29% 提升到 35%。团队研究也指出,三重态激子可透过氮氧化铪转移到下方的硅太阳能电池中,也不需要额外的电触点或是改变制程,激子产率(exciton yield)更高达 1.3。

麻省理工实验也指出,约有 76% 的三重态激子可透过钝化层转移到硅太阳能电池,单重态激子的转移率则为 56%,未来则会致力于降低单重态激子的转移比例,也希望能提高并四苯单重态裂变的速度,进一步最佳化研究与开发,预估还需要几年才能商业化。目前研究已发表在《nature》。

  • An exciting boost for solar cells
  • Experiments show dramatic increase in solar cell output
  • Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene

(首图来源:Flickr/Chris Ballance CC BY 2.0)

延伸阅读:

  • 量子力学与有机分子层助力,太阳能理论转换效率望突破 40%
2019-07-05 13:27:00

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