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美国研究太阳能电池效率新突破

钜大LARGE  |  点击量:115次  |  2020年04月08日  

摘要
现在,美国怀俄明大学University of Wyoming研究人员已证明,采用被称作量子粒(quantum dots)的新型纳米材料,有可能超越这些极限,生产超效能太阳能电池。

虽然研究人员一直在稳步提高太阳能电池的发电量,但他们却面对根本的限制,这是因为物理学涉及到把光子转换为电子,而且是在半导体材料中进行的。现在,美国怀俄明大学UniversityofWyoming研究人员已证明,采用被称作量子粒(quantumdots)的新型纳米材料,有可能超越这些极限,生产超效能太阳能电池。


太阳能电池的理论限度离不开数量上大幅度变化的阳光光子能量。其数量变化取决于光的颜色。无论接收到的光子多么充满活力,太阳能电池仅能把一个光子转换成一个电子,而且是以既定数量的能量。任何多余能量都会散失为热量。科学家们假设,量子粒因其不寻常的电子属性,可以把一些多余能量转换为电子。他们估计,这个方法可以使太阳能电池效率的理论最大值提高大约50%。


最初测试这个想法是很令人鼓励的,但没有结论。研究人员们无法直接测量多余的电子,因为这些电子存在时间太短暂,无法使它们离开材料进入电路。怀俄明大学研究人员所取得的关键进步,是改进了量子粒及其所附着的二氧化钛电极的表面化学,创造了一种强有力的连接,使电子可以逃离量子粒,时间只有短短的万亿分之几秒。这是第一次,研究者能够直接测量太阳能电池中多余电子的生产。


这一进展是很重要的,原因有两个。首先,它表明,有可能使用多余电子促进出现电流,这是必要的,假如这些电子要在太阳能电池中有任何用途的话。第二,测量表明,量子粒可更加有效地出现多余电子,超过一些研究者的想象,对某些波长的光而言,其效果大约是三倍,假如研究结果准确的话,伊兰。拉班尼EranRabani说,他是特拉维夫大学TelAvivUniversity化学教授。然而,这个性能仍不足以制造超效能太阳能电池,他说。布鲁斯。帕克孙BruceParkson是怀俄明大学化学教授,领导这项工作,他对此表示同意。这不是最理想的。这只是第一步,他说。


仍然存在两大障碍,要不这一技术就可以用来制造超效能太阳能电池。帕克孙使用硫化铅量子粒和水晶二氧化钛电极,研究人员们要尝试量子粒和电极材料的其它组合,以发现一些组合,可以把更多光子转换成许多电子。帕克孙说,他的新方法用于制造量子粒太阳能电池,有助于他们直接测试其他一些组合。


研究人员们还要提高量子粒太阳能电池所能吸收的光的总量。在实验电池中,量子粒层太薄,大多数光线透过都不会被吸收。帕克孙说,下一步可能就是使量子粒附着于一种多孔材料,这种材料具有较大的表面积,这就会使它们有更多的机会吸收光,同时还使电子可以很快逃离。


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