为钙钛矿太阳能开辟新道路 全新太阳能转换效率可达66%

提高太阳能转换效率的路途困难重重,其中一项难题便是太阳能材料没法吸收全部的光,有一部分的光能会以热的形式损失,进而降低性能,对此,最近美国科学家透过添加有机化合物材料,成功吸收并转换钙钛矿太阳能电池产生的热,最高转换效率有机会从33% 突破到66%。

太阳能电池的废热困扰科学家多年,好比目前已量产的单晶矽与多晶矽的太阳电池,矽晶电池转换效率平均效率落在20% 上下,也就是说,太阳电池只能将20% 入射阳光转换成电能,其余的80% 都浪费或变成无用反伤的热能。

太阳能板无法吸收所有能量,若是光能小于半导体材料能隙,就无法将电子推送到导带,也不能产生电力;当光子的能量大于半导体的能隙,半导体也只会吸收相对能隙的能量并产生电子电洞对,其余能量则被称为“热载子”,这些热载子会在短短几皮秒内冷却并释放出声子,也就是透过晶格振动将能量以废热释出。

其中钙钛矿太阳能虽然以制造成本低、转换效率高、应用广而闻名,但它也逃不了会产生废热的课题,现在荷兰格罗宁根大学与南洋理工大学决定捕获那些“热载子”,在载子复合、释出声子之前把高能量的载子传递至外部电路。

近年来科学家已注意到典型的卤化物钙钛矿太阳能能降低热载子的冷却速度,因此该团队决定寻找能跟钙钛矿电池搭配、又能快速吸收热电荷的材料,去年格罗宁根大学的研究就指出,若能捕获并善用热电子,混合钙钛矿太阳能的最大效率可以从33% 提高到66%。

最近他们发现有机化合物bphen (注)与钙钛矿或许是个合作好伙伴,格罗宁根大学与南大科学家使用飞秒脉冲雷射器(femtosecond pulsed lasers)等多个超快雷射脉冲来一探新型太阳能电池到底如何运作,用比相机闪光灯快1兆倍的速度来看结果是否符合期待。

结果指出,该有机化合物的能隙较大,足以吸收热电子的能量,且钙钛矿太阳能电池产生的热电子能阶刚也好比bphen 能隙还要大,不会激发化合物中的电子,只是要需要克服两种材料的接面障碍问题。未来科学家则打算实际打造出bphen 钙钛矿太阳能电池,或许真的能为钙钛矿太阳能开辟新的道路。目前研究已发表在《Science Advances》。

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