量子力學研究助突破極限,矽太陽能理論轉換效率可望躍升至 35%

發佈日期: 2019 年 07 月 05 日 14:22 | 作者: | 分類: 產業資訊

雖然說矽晶太陽能是目前光電技術的當紅炸子雞,但它仍無法將所有的光轉換成電,當光子能量小於矽的能隙時,矽電池就無法吸收這些光子,使得矽晶太陽能轉換效率到 29% 即觸頂,不過美國麻省理工團隊已找出解決辦法,有望將理論轉換效率提高到 35%。

基本上人們無法找到能 100% 轉換所有光的材料,根據太陽能領域聞之色變的蕭基‧奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit ),半導體無法吸收能量小於自身能隙的光子,即使光子能量大於能隙,半導體吸收光子後還是只能產生跟自身能隙一樣的能量,其他能量會以熱的形式散失。

因此不管用什麼材料來製成太陽能電池,轉換效率都無法達到 100%,最高也只能轉換 33.7% 太陽光。不過最近麻省理工團隊已找到辦法攻克矽晶太陽能的極限,或許能將轉換效率突破 29%。

通常當光子被電池吸收時,其中的 PN 接面會產生電子電洞對(electron-hole pair,也稱為激子),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。

而麻省理工團隊希望能透過量子力學中的單重態激子分裂(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子電洞對。

單重態激子裂變的示意圖。(圖片來源:麻省理工

在這實驗中,如何產生單重態激子裂變?如何讓矽晶太陽能吸收到更多的光?這些都是重點。團隊首先選擇有機物並四苯(tetracene)來進行研究,從過去的實驗,麻省理工團隊已得知四苯含不僅含有三重態激子,還可以吸收光藍綠光波長,使矽層能吸收能量較低的光子。

至於並四苯與矽晶太陽能電池之間的「橋梁」,他們則透過氮氧化鉿(hafnium oxynitride)來製成鈍化層(passivation layer),其中鈍化層主要是用來改善光吸收與鑑結穩定度,科學家可以透過沉積技術來控制氮氧化鉿鈍化層的厚度,最終也成功製造出 0.8 奈米厚的鈍化層。

麻省理工電機工程與電腦科學教授 Marc Baldo 表示,雖然它只有薄薄一層,但它對於激發態分子來說是個「完美的橋樑」,能讓藍光與綠光等高能光子變成三重態激子,釋放兩個電子到矽晶太陽能中,進而提高能量產出。

Baldo 總結,簡單來說,這可以提高太陽能轉換效率,從理論的最高點 29% 提升到 35%。團隊研究也指出,三重態激子可透過氮氧化鉿轉移到下方的矽太陽能電池中,也不需要額外的電觸點或是改變製程,激子產率(exciton yield)更高達 1.3。

麻省理工實驗也指出,約有 76% 的三重態激子可透過鈍化層轉移到矽太陽能電池,單重態激子的轉移率則為 56%,未來則會致力於降低單重態激子的轉移比例,也希望能提高並四苯單重態裂變的速度,進一步最佳化研究與開發,預估還需要幾年才能商業化。目前研究已發表在《nature》。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:Chris Ballance via Flickr CC BY 2.0)

延伸閱讀:

announcements 線上投稿     mail 列印
Share