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美国研发新型硅太阳能电池方案,效率有望升至35%!

来源:材料科学与工程微信公众号|

发表时间:2019-07-15

点击:10400

美国研究人员设计出一种新型硅太阳能电池方案,通过改变钝化层材料提高硅电池能量转化效率的上限,可从目前的约29%提升到35%。美国麻省理工学院日前发布公报说,新电池由该校人员和美国普林斯顿大学等机构同行设计,利用“单线态激子裂变”原理,加强对高能光子能量的利用。



在太阳能电池中,光子激发材料分子释放电子,产生电流。通常一个光子只能激发出一个电子,高能光子的剩余能量会以热量的形式散失。


此前人们发现,在并四苯等某些有机材料里,一个分子吸收一个高能光子后,可将部分能量转移给另一个分子,最终产生两个电子,这种现象称为“单线态激子裂变”。理论上,在硅电池上覆盖一层并四苯,就能用一个高能光子获得两个电子,但如何让“单线态激子裂变”产生的两个电子转移到硅材料中是一个关键难题。


为了保证电池效率和耐久性,硅材料必须有表面钝化层。并四苯中产生的电子必须穿过钝化层,才能到达硅材料。相对于电子转移能力来说,目前的钝化层都太厚了。


新方案的关键是用氮氧化铪对硅材料进行钝化,得到的钝化层厚度仅0.8纳米(1纳米等于十亿分之一米),可容许更多电子通过。研究表明,并四苯每吸收一个光子,平均有1.3个电子可穿过氮氧化铪钝化层,转移到硅材料里。


相关论文已发表在英国《Nature》杂志上。研究人员说,新电池效率远未达到理论极限,尚需改进,但试验证明了其中的关键步骤行之有效。该方案没有引入复杂的设计,而且可能使电池总体上更薄。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1339-4


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