太阳能电池的效率是其最重要的参数之一

2019-10-14 17:10:17

太阳能电池的效率是其最重要的参数之一。它指示辐射到电池中的太阳能中有多少百分比转换为电能。由于物理材料特性,硅太阳能电池的理论极限为29.3%。在《材料视野》杂志上,来自柏林亥姆霍兹-中心博物馆(HZB)和国际同事的研究人员描述了如何取消这一限制。诀窍:它们将有机分子层结合到太阳能电池中。这些层利用一种称为单线态激子裂变的量子机械过程,以某种方式分裂某些高能光(绿色和蓝色光子),以使太阳能电池的电流可以在该能量范围内翻倍。

太阳能电池的原理很简单:每个入射光粒子(光子)都会产生一对由负电荷载体和正电荷载体(电子和空穴)组成的电荷载体(激子)。这两个相反的电荷可以在半导体中自由移动。当它们到达电荷选择电触点时,一个仅允许正电荷通过,另一个仅允许负电荷通过。因此,产生了直流电流,可以由外部用户使用。

HZB研究人员Klaus Lips教授周围的团队现在提供了一种构建太阳能电池的解决方案,该方法可以使用某些高能光子同时生成两对电荷载流子。他们使用的效应存在于某些有机晶体中,被称为“单激子裂变”(SF)。为了使这种乘数效应成为可能,电荷载流子对必须满足某些量子物理条件:它们的所有自旋必须平行,这意味着被称为三重态激子的电荷载流子对。

这些三重态激子非常耐用并且非常牢固地结合在一起。挑战在于在与硅的接口处将它们分开。这样可以解除正负电荷载流子的束缚,从而使它们有助于太阳能电池的电流。

在一个开创性的实验中,研究人员表明分裂是可能的。“通过成功实施这一概念,我们可以制造出最大量子效率为200%(正常极限值的两倍),理论效率极限为40%左右的硅太阳能电池,”澳大利亚研究员Rowan MacQueen博士说。两年前加入HZB团队,并正在HZB实现电荷载流子倍增器太阳能电池。

在最近报道的工作中,HZB研究人员将100纳米厚的单线态裂变并四苯晶体层集成到了硅太阳能电池的表面。使用光谱学研究,在并四苯薄层中检测到三重态电荷载流子对,这是单重态裂变的特征。克劳斯·利普斯(Klaus Lips)解释说:“面临的挑战是在硅界面处分离三重态对,而又不会显着破坏硅太阳能电池的电流。”当前的流量。

通过另外引入的称为PEDOT:PSS的有机导体可以成功实现分裂,这意味着需要另一个有机层。MacQueen博士说:“界面在这种结构中起着特殊的作用,这就是为什么研究人员使用来自BESSY II @ HZB同步加速器的X射线光来研究界面特性的原因。然后,他们制造了一系列可工作的并四硅硅太阳能电池。一个关键发现是有机层的添加不会影响硅电池的电性能,这对于生产高效器件至关重要。

第一硅单重态裂变太阳能电池的电性能表明,并四苯吸收了光的蓝绿色部分,而低能光子被硅吸收了。通过仿真,研究人员能够估计出并四苯层中生成的三重态对中大约有5-10%可以添加到输出功率中。

对于克劳斯·利普斯(Klaus Lips)来说,这是一个巨大的成功,但他已经在考虑后续实验:“通过这种太阳能电池结构,我们已经证明该方法原则上可行,并提供了强大的设计。而且我们已经知道我们要做的事情将分离的三重态激子的产率提高到200%。”

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