大多數光伏太陽能電池都存在固有的效率上限，限制了它們從太陽光中提取可用能量的多少。但科學家們正在透過新的研究尋找繞過這一障礙的方法，這些研究有望使太陽能更高效、更具成本效益。
在科羅拉多州戈爾登市國家可再生能源實驗室（NREL），研究人員正在研究如何讓一個光子一次推動多個電子。與此同時，麻省理工學院的一個團隊正在研究如何讓合適型別的光線照射到太陽能電池上，以確保其能量不被浪費。
“太陽能轉換的主要限制之一是這些高能光子無法被有效轉換。你會損失大量能量轉化為熱，”NREL高階科學家Matthew Beard說。他上週在《科學》雜誌上共同發表了一篇論文，展示了一種器件，該器件在量子層面上，使用一種稱為多激子產生（MEG）的過程，效率峰值達到了114%。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
“它在某些方面與傳統太陽能電池的運作方式相同，”Beard說。“它沒有使用塊狀晶體，而是使用了量子點。” 大多數太陽能電池由兩層晶體層夾層構成：一層略帶負電荷，另一層略帶正電荷。負晶體有多餘的電子，當一個能量足夠的光子照射到材料上時，它會從正極側擊出一個電子，增加其能量並留下一個“空穴”。電子-空穴對被稱為激子。
MEG是“第三代”太陽能技術前沿的技術之一。利用這些進步，太陽能電池板可以比目前市場上的裝置更薄、更輕、更便宜、更靈活，並且從根本上更高效。因此，太陽能將更具成本效益，並將在全球能源結構中佔據更大的份額。
但首先，這些電池板必須繞過肖克利-奎伊瑟極限，這是當前一代光伏系統的瓶頸。
節省浪費的太陽能
“SQ”極限描述了使用具有單個半導體結的傳統單層設計的太陽能電池的最大效率。對於大多數常見的太陽能電池材料，在理想條件下，效率極限約為32%。這意味著至少有三分之二照射到太陽能電池板的陽光能量被浪費了，如果考慮到反射、佈線和安裝硬體造成的損失，浪費的能量會更多。如果增加電池的層數，效率會提高，但這會大大提高裝置的成本和複雜性。目前，多結太陽能電池主要限於衛星應用，在衛星應用中，對效率、輕重量和小空間的需求超過了成本考慮。
現在，科學家們正在奈米尺度上調整太陽能電池材料，以在不增加價格或複雜性的情況下，擠出更好的效能，從而找到繞過SQ極限的漏洞。
在當前的光伏電池中，陽光會擊出電子，產生移動的電荷，這些電荷進入負晶體，透過電路，然後回到正極側，在那裡填補空穴。如果光子的能量不足，電子就會停留在原位。如果光子的能量過高，電荷流動時只會使用它需要的能量，剩餘的能量會加熱裝置。
Beard的團隊找到了一種方法，利用量子點——尺寸在2到10奈米之間的微小半導體材料塊——用一個光子產生多個空穴。它們的小尺寸使它們能夠容納電荷並更有效地將光轉化為電。在這種情況下，量子點由鉛和硒製成。當能量至少是移動一個電子所需能量兩倍的光子照射到硒化鉛量子點時，它可以激發兩個或更多個電子，而不是讓額外的能量浪費掉，從而產生比傳統太陽能電池更大的電流。
“目前該器件的整體效率約為4%。我們需要[器件]達到約10%至15%才能引起顯著的商業關注，”Beard說。他預計，隨著進一步發展，MEG太陽能電池的效率可以達到44%。
繞過SQ極限的另一種方法是透過單線態裂變。同樣是NREL高階科學家的Justin Johnson說，這個過程與MEG類似，只是它使用有機分子——由碳組成的化合物——而不是半導體。“如果你將你的分子設計成這樣，即不是冷卻到較低狀態，而是產生兩個電子-空穴對，那麼你就不會像讓分子弛豫並將能量以熱的形式釋放那樣損失那麼多能量，”Johnson說。
Johnson與NREL的Arthur Nozik和科羅拉多大學博爾德分校的Josef Michl合作，在一種名為1,3-二苯基異苯並呋喃的化合物中演示了單線態裂變。當光子照射到這種物質的分子時，其電子進入更高能量的激發態。當它弛豫時，它可以將其能量轉移到附近的分子。在去年發表在《美國化學學會雜誌》上的一項研究中，該團隊觀察到這些分裂能量態的產率為200%。在實際器件中，Johnson預計效率上限為46%。
保持簡潔
單線態裂變太陽能電池也可能比更常見的矽基太陽能電池更具成本效益。“有機材料的好處在於，幾乎所有的有機化合物都可以廉價地大規模生產，”Johnson說。“主要的限制是如何最佳化材料以使其[發電]效率更高。一旦我們理解了這些設計原則，我們就可以像製造太陽能電池一樣製造分子。”
儘管這兩種工藝都可以繞過SQ極限，但它們仍然需要高能光，而高能光僅佔太陽光譜的一小部分。在麻省理工學院，研究科學家Peter Bermel正在尋求一種解決方案，使用吸收太陽熱量併發出光的材料。“選擇性發射器輻射高能光子，而不是低能光子，”Bermel說。“你將光譜壓縮到非常窄的波長範圍內。”
吸收器由超材料製成，超材料是一種被設計成具有自然界中不存在的特性的物質。它像大多數其他化合物一樣在陽光下升溫，但它不會像其他化合物那樣將熱量輻射到周圍環境中。這使其能夠集中熱能並變得非常熱。吸收器將其能量傳遞給發射器，然後發射器與光伏板耦合，在那裡產生電力。在10月份發表在《奈米尺度研究快報》上的一篇論文中，Bermel計算出這種器件的效率可以達到37%。
科學家們承認，這項研究在應用於您家屋頂之前還需要進一步的努力。“我們需要進一步改進主要的轉換過程，”Beard在談到MEG時說，他指的是光如何轉化為激子。此外，“我們需要研究除硒化鉛以外的其他量子點材料，因為鉛是有毒的，”他說。
Johnson指出，另一個問題是保持器件的簡單性。這將使新型太陽能電池易於製造並降低其成本，從而使其更有可能獲得廣泛接受。Bermel對此表示贊同，並補充說，他希望“探索非常簡單但在某種意義上與現有技術不同的設計。我們不是僅僅試圖進行非常漸進的改進，而是試圖開發新概念。”
經Environment & Energy Publishing, LLC許可，轉載自Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500