理论效率40% 应用有机分子层助力更高效太阳能电池的诞生

含有有机晶体的硅单线态裂变太阳能电池原理图
图片来源：M.Künsting/柏林亥姆霍兹材料与能源中心

来自柏林亥姆霍兹材料与能源中心的科学家通过使用被称为“单线态激子裂变”的量子态过程将有机分子层整合到硅太阳能电池中，并因此大大提高了电池的效率。该整合过程通过划分一些绿色和蓝色的光子，使得电池的电流在该能量范围内可以加倍，并且理论效率的极限约为40％。

在太阳能电池中，每个入射光子，均可以产生由负电荷载体和正电荷载体组成的一对激子。两个相反的电荷在半导体中自由移动，直到它们到达电荷选择性电触点，其中一个只允许正电荷通过而另一个则允许负电荷通过。这个过程会产生直流电，然后通过在外部进行转化使用。

这项研究已经刊登在Materials Horizons 杂志上。在研究中，科学家们创造了一种开发硅太阳能电池的新方法，以便可以使用某些高能光子同时产生两对电荷载流子。为了使乘法器效应起作用，电荷载流子对必须满足一些量子物理条件，即它们的所有自旋都必须是平行的，这种特殊的电荷载流子对被称为三重态激子。

团队负责人Klaus Lips 教授说道：“这项研究的亮点在于，使用特殊的方法在硅界面处分离三重态而不会显著破坏硅太阳能电池的电流。”

这些三重态激子相对耐用并且可以很好地结合在一起，但是在硅的界面处将它们分开十分困难。因此，研究人员在硅太阳能电池的表面整合了一层约100纳米厚的单线态裂变的并四苯化物晶体。利用光谱学在薄的四氢萘层中检测到三重态电荷载流子对，这是单线态裂变最明显的特征之一。正如团队负责人Klaus Lips所说：“挑战在于从硅界面处分离三重线对，而且不会显著破坏硅太阳能电池的电流。”

第一硅单线态裂变太阳能电池的电化学性能表明，并四苯可以有效吸收光的蓝绿色部分，而使得低能光子被硅吸收。基于模拟计算，他们估计目前在并四苯层中产生的三重态对中约5-10％可以加到输出功率上。

当掺入特定的有机导体时，这种单线态裂变是十分成功的，因此需要另外的有机层对研究进行改进。同时至关重要的是，添加另外的有机层不能限制硅太阳能电池的电化学性能，这对于制造有效的器件是重要的。该团队现在正在进行下一步的实验，围绕硅单线态裂变太阳能电池的原理，并结合有机晶体，努力的将分离的三重态激子的产率提高多达200％以上。