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光伏电池外部效率首次超过100%

发表于:2011-12-26 00:00:00    
索比光伏网讯:量子点把电荷载体限制在它们的微小空间内,可以获取多余的能量,否则这些能量会散发为热。

美国国家可再生能源实验室(NREL:National Renewable Energy Laboratory)研究人员报道,他们的首款太阳能电池可产生一种光电流,外部量子效率大于100%,因为产生光子激发的光子来自高能段太阳光谱。


这些电池表现出显著的能量转换效率,产生的总功率除以输入功率,高达4.5%。

来源:国家可再生能源实验室
来源:国家可再生能源实验室
 光电流外部量子效率通常以百分比表示,是指每秒流过太阳能电池外部电路的电子数量,除以每秒进入太阳能电池的光子数量,这些光子具有特定的能级或波长。迄今为止,没有一种太阳能电池的外部光电量子效率,在任何波长的太阳光谱上都可达到100%以上。

外部量子效率达到了高峰值114%。新报道的工作标志着可喜的一步,可开发下一代太阳能电池,既可用于太阳能发电,也可用于太阳能燃料,都具有竞争力,或者成本更低,胜过化石燃料或核能燃料。

多激子生成(MEG:Multiple Exciton Generation)是成功的关键。有一篇论文介绍这一突破,发表在12月16日一期的《科学》杂志上。题为《峰值外部光电量子效率超过100%源自多激子生成采用量子点太阳能电池》(Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100 percent via MEG in a Quantum Dot Solar Cell)。

这里的机制是,使量子效率超过100%,需要用太阳光子,依靠的一种工艺称为多激子生成,就是吸收单个适当的高能光子,可以产生一个以上的电子-空穴对(electron-hole pair),每吸收一个光子都是这样。

2001年,国家再生能源实验室的科学家阿瑟J. •诺基科(Arthur J. Nozik)第一次预测,多激子生成采用半导体量子点会更有效,胜过采用块状半导体。量子点是微小晶体半导体,尺寸范围是1-20纳米,1纳米等于一米的十亿分之一。在这样小的尺度,半导体表现出一些强烈的效应效果,都是因为量子物理学,这些效应比如:

迅速增加带隙(bandgap)并缩小量子点尺寸;

室温下形成相关电子-空穴对(称为激子);

增强耦合电子粒子(电子和正空穴),这需要库仑力(Coulombic forces);

促进多激子生成过程;

量子点约束电荷,获取多余能量;

量子点把电荷载体限制在它们微小的体积内,可以获取多余的能量,否则这些热量会散发为热,因此,这样就可以大大增加效率,把光子转换成可用能量。

研究人员达到了114%的外部量子效率,他们采用一种分层电池,这种电池中包含抗反射镀膜玻璃,一层薄薄的透明导体,一层纳米结构的氧化锌(zinc oxide),一层硒化铅(lead selenide)量子点,这一层经过乙二硫醇(ethanedithol)和肼(hydrazine)的处理,还有一薄层黄金,用于上电极。

这项新的研究结果报道的多激子生成,首次表现出100%以上的外部光电流量子生成率,测量采用了量子点太阳能电池,是在弱光下进行;这些电池表现出显著的能量转换效率,产生的总功率除以输入功率,高达4.5%,这是采用了模拟太阳光。虽然这些太阳能电池未经优化,表现出相对较低的能量转换效率,都是采用光电流和光电压,但是,演示的多激子生成,在太阳能电池光电流中具有重要意义,因为它开辟了一些新的未经开发的方法,可以提高太阳能电池效率。

这项新成果另一个重要的方面是,它们符合以前采用时间分辨光谱测量的多激子生成,从而验证了这些早期的多激子生成研究。出现完美相符,是因为外部量子效率纠正了光子数,这些光子确实被吸入电池光敏区。在这种情况下,确定的量子产量就被称为内部量子效率。内部量子效率大于外部量子效率,这是因为,入射光子中很大一部分散失了,有些被反射,有些被吸入电池中非光电流生成区。内部量子效率峰值达到了130%,出现这种情况,是因为考虑了这些反射和吸收的损失。

本文为麻省理工《科技创业》原创文章,未经书面许可,严禁转载使用。

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责任编辑:solar_robot
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