光倍增可以穩(wěn)定地改善太陽能電池

現(xiàn)在基于硅技術(shù)的太陽能電池幾乎達(dá)到了效率極限，來自世界各地的研究人員正在尋找替代技術(shù)來進(jìn)一步提高太陽能電池的效率。來自AMOLF和劍橋大學(xué)的物理學(xué)家使用建模技術(shù)來比較兩種有前途的技術(shù)：單線態(tài)裂變光子倍增器和串聯(lián)太陽能電池。雖然潛在的效率提高幾乎相等，但單線裂變光子倍增器在不同的天氣條件下變得更加穩(wěn)定。此外，單線態(tài)裂變光子倍增器不需要修改硅技術(shù)，這意味著它甚至可以用于改進(jìn)現(xiàn)有的太陽能電池。研究人員在ACS Energy Letters上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

在過去的20年中，實驗室生產(chǎn)的創(chuàng)紀(jì)錄硅太陽能電池的效率僅提高了2%，未來幾年將很難進(jìn)一步改進(jìn)。主要原因是傳統(tǒng)的太陽能電池浪費了很大一部分入射的太陽光。硅技術(shù)根本無法將所有太陽光轉(zhuǎn)換成電能，因為硅只能吸收部分太陽光譜。而且，來自光譜的藍(lán)色部分的高能光子不能有效地轉(zhuǎn)換，并且它們在太陽能電池中產(chǎn)生不需要的熱量。

在AMOLF研究所，由Bruno Ehrler領(lǐng)導(dǎo)的Hybrid Solar Cells集團研究有機半導(dǎo)體的特性，以克服無機(硅)太陽能電池的局限性。“有兩種有希望的策略可以極大地改善太陽能電池，”博士說。學(xué)生Moritz Futscher。“第一個基于混合鈣鈦礦材料和硅的組合的串聯(lián)太陽能電池技術(shù)受到了很多關(guān)注，并得到了世界各地研究人員的廣泛研究。我們也研究了鈣鈦礦，但我們也是其中之一。很少有研究第二種技術(shù)的研究小組利用一種叫做單線裂變的過程。“

單線態(tài)裂變是僅在有機半導(dǎo)體中發(fā)生的過程。當(dāng)高能光子被吸收時，產(chǎn)生稱為單重態(tài)激子的高能粒子。這個單線態(tài)激子轉(zhuǎn)換成兩個三重態(tài)激子，每個激子的能量大約是單重態(tài)激子的一半。“通過這種方法，我們用一個高能光子產(chǎn)生兩個低能光子。這些光子然后通過量子點，半導(dǎo)體制成的微小粒子發(fā)射到下面的太陽能電池中，”Futscher解釋說。“這樣，單線裂變可以作為光子倍增器。”

Futscher和他的同事理論上將單線態(tài)裂變光子倍增器與在真實天氣條件下使用鈣鈦礦和硅的組合的串聯(lián)太陽能電池進(jìn)行了比較。“我們知道串聯(lián)太陽能電池在陽光充足的地區(qū)運行良好，但在天氣條件波動的地區(qū)表現(xiàn)不佳。因此我們考慮了天氣和太陽光譜，”Futscher說。“我們發(fā)現(xiàn)單線態(tài)裂變光子倍增器和硅太陽能電池的組合與鈣硅石與硅(串聯(lián))的組合一樣好。但是，在荷蘭發(fā)現(xiàn)的波動天氣條件下，單線態(tài)裂變光子倍增器證明是一個更穩(wěn)定的選擇。“

基于單線裂變的太陽能電池可能與串聯(lián)太陽能電池一樣工作 - 甚至在某些情況下更好 - 這一事實使其成為一個非常有趣的替代方案。“這些光子倍增器很容易制作。它基本上是一個薄的塑料薄膜，可以放在現(xiàn)有的太陽能電池之上。太陽能電池技術(shù)本身不需要改變，”Futscher說。“雖然該技術(shù)最先用最先進(jìn)的太陽能電池，但這種單線裂變箔甚至可以提高硅太陽能電池的使用性能，特別是在荷蘭不同的天氣條件下。”