光倍增可以穩(wěn)定地改善太陽能電池

現(xiàn)在基于硅技術的太陽能電池幾乎達到了效率極限，來自世界各地的研究人員正在尋找替代技術來進一步提高太陽能電池的效率。來自AMOLF和劍橋大學的物理學家使用建模技術來比較兩種有前途的技術：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，這意味著它甚至可以用于改進現(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)紀錄硅太陽能電池的效率僅提高了2%，未來幾年將很難進一步改進。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。硅技術根本無法將所有太陽光轉換成電能，因為硅只能吸收部分太陽光譜。而且，來自光譜的藍色部分的高能光子不能有效地轉換，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領導的Hybrid Solar Cells集團研究有機半導體的特性，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)太陽能電池技術受到了很多關注，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體中發(fā)生的過程。當高能光子被吸收時，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。太陽能電池技術本身不需要改變，”Futscher說。“雖然該技術最先用最先進的太陽能電池，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。”