量子力學與有機分子層助力,太陽能理論轉換效率望突破 40%

發佈日期: 2018 年 10 月 09 日 13:34 | 作者: | 分類: 產業資訊

矽晶太陽能除了是當今太陽光電主要技術,還是讓再生能源成本可與傳統發電廠一較高下的背後功臣,但是在大規模商業化的情況下,其光電轉換效率難以再突破,如今德國科學家提出一項解決方案,將有機分子層與太陽能電池相結合,透過量子力學理論來分裂光子能量,讓面板可加倍吸收綠、藍光,進而提升 5-10% 輸出功率,更有望製造出理論效率達 40% 的太陽能電池。

太陽能電池結構基本上由 P 型與 N 型半導體接合而成,這種結構稱為 PN 接面。當電池吸收陽光時,PN 接面會產生電子電洞對(electron-hole pair),在內建電場的作用下,受到刺激的電子和失去電子的電洞會朝相反方向移動,進而產生電流與電壓。

簡單來說,太陽光電的發電原理就是利用太陽電池吸收一定波長的太陽光,再將光能直接轉變成電能。只不過由於矽晶物理材料特性,矽晶太陽能電池光轉換效率理論極限僅達 29.3%,且市面上轉換效率也已達 20-22%,發展空間相當有限。

對此德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心(HZB)研究員 Klaus Lips 教授提出全新的解決方案,希望可透過有機晶體的單重態激子分裂(singlet exciton fission),讓激子在吸收到光子之後從一分裂成二、進而產生多個三重態激子(triplet exciton),使高能量光子可產生兩對電荷載子。

不過要具現化假設也不是容易的事情,這項機制不僅與量子力學相關,該技術主要挑戰更在於如何讓三重態激子在矽 PN 接面分裂,若能成功解決該難題,將有助於提高太陽能電池的電流量。

圖片來源:HZB

HZB 研究員首先透過光譜研究在有機物並四苯(tetracene)檢測出單重態激子裂變的特徵──發現並四苯含有三重態激子,因此他們將 100nm 厚的並四苯晶體層整合到矽太陽能電池表面,Lips 教授表示,該挑戰在於如何在矽接面將三重態激子分裂,若把導電性較差的有機層與矽層相接,這可能會使電池流量下降。

為此團隊進一步在並四苯層上方添加電導聚合物 PEDOT:PSS,有效在接面分裂三重態激子,成功打造出並四苯-矽太陽能電池。實驗也指出,並四苯可吸收光藍綠光波長,能量較低的光子則可被矽層吸收。研究員則估計,並四苯層中的三重態激子可提升電池輸出功率 5-10%,更有望製造出量子效率高達 200% 的矽太陽能電池,其理論光電理論效率甚至高達 40%。

Lips 指出,團隊已透過新型太陽能結構證明該方式有效,也知道如何將三重態激子生成效率提升 200%。有鑑於研究初步有成、更成功找出不會妨礙電池性能的有機層,團隊將繼續進行後續實驗,目前研究已發表在《Materials Horizon》。

(首圖來源:ESA_events via Flickr CC BY-SA 2.0。文/DaisyChuang)

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