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新式聚合物催生高效率太阳能电池

时 间:2015-01-28 作 者:admin8 来 源:酷屏网

科学家已经证实,碳基光电聚合物所制造的电子数量是加倍的,这有助于让任何一种太阳能电池的效率也加倍提升。

这种被称为‘单态裂变(singlet fission)’的过程能从单一光子产生‘同卵双生(identical twin)’的2个电子,而不是正常的1个,将大幅提升太阳能电池的理论最大输出值。这种过程不会损失能量转成热,多出来电子是透过在现有的太阳能电池上添加聚合物溶液所产生。

美国Brookhaven国家实验室研究员Matt Sfeir表示,要提升太阳能电池效率会遇到的困难之一,是电池所吸收的光能量会有一部分以热的形式损失:‘不过在单态裂变中,1个光吸收单元会透过加乘程序产生2个电单元,而非传统太阳能电池的只有1个电单元以及热。’

此外,该技术采用的碳基聚合物(BaTi2Sb2O与BaTi2As2O),能液化并利用廉价的制程大量生产,而且基本上是以‘印刷’的方式涂布到传统太阳能电池上。

‘我们的材料可做为传统光电材料(有机或无机)的敏化剂(sensitizer);’Sfeir表示:‘不同于过去曾报导过的裂变材料,我们的聚合物材料溶解为液体时也能有效运作,而且有具备以工业化方式大量生产的潜力。’

美國Brookhaven國家實驗室透過在傳統太陽能電池上塗佈聚合物材料的方法達成單態分裂,讓太陽能電池產生更多的電子

美国Brookhaven国家实验室透过在传统太阳能电池上涂布聚合物材料的方法达成单态分裂,让太阳能电池产生更多的电子
(来源:美国Brookhaven国家实验室)

其他研究人员也曾制作过单态裂变材料,最广为人知的就是并五苯(pentacene),但Sfeir表示他们所开发的材料效果依样好,而且更重要的是能更轻易地添加到现有太阳能电池上。

‘并五苯以薄膜的型态能达到近200%的效率,而我们的材料之裂变是在单一聚合物链上发生,是唯一以溶液型态仍效果良好的、效率可达170%;’Sfeir表示:‘我们有一个大致的框架,希望能用以制作种类更广泛的单态裂变分子与聚合物。而我们也在探索一些概念,让材料效率能更进一步提升至200%。’

Sfeir的团队也正在尝试将该技术的应用超越传统块状太阳能电池,前进以无机(非碳)奈米材料为基础的‘第三代概念’;他表示:‘我们的理想是打造热载子(hot-carrier)太阳能电池,能完全以我们的有机单态裂变材料溶液制程来组装。’

而Sfeir表示,其单态裂变材料能针对特殊应用客制化;例如会吸收可见光谱不同部分的特定形式太阳能电池:‘我们已经证实一个通用的设计原则,能生产其特性适合特定应用的一系列材料;我们希望这能催生让特定形式太阳能电池最佳化的更多样化材料。’

Brookhaven实验室所属的功能性奈米材料中心(Center for Functional Nanomaterials,CFN),是采用时间解析光谱学(time-resolved optical spectroscopy)来诱发和量化Sfeir团队开发之材料的单态裂变,在过程中单个雷射光子会产生两个三重态激子(triplet type exciton)。Sfeir表示,它们采用了一种‘瞬态吸收’技术,类似于拥有非常快速快门的摄影机。

‘我们利用雷射脉冲将光能量推进材料中,然后以一连串较弱的光脉冲来观察那些光能量的变化;’Sfeir表示:‘令人惊讶的是,我们确定单态裂变加乘程序主导衰变过程,此外CFN的运算丛集被用以替那些材料建立模型,还有理解单态裂变的设计需求。’

美國Brookhaven國家實驗室研究員Matt Sfeir (右) 以及CFN博士後研究員Erik Busby
美国Brookhaven国家实验室研究员Matt Sfeir (右) 以及CFN博士后研究员Erik Busby
(来源:美国Brookhaven国家实验室)

Sfeir指出,他们还利用Brookhaven实验室的雷射-电子加速器(Laser-Electron Accelerator Facility)来比较分别以脉冲幅解(pulse radiolysis)与直接光子吸收方式产生的三重态激子:‘两种不同实验的差异,能让我们更确认裂变主导主要衰变过程。’

接下来Brookhaven实验室科学家的目标是生产一整个系列能运用在单态裂变制程的材料,然后针对太阳能电池应用将有机碳基材料最佳化。在证明每个光子能产生更多电子之余,他们期望能利用额外的刺激打造出效率更高的可用元件;此外他们还计划利用从有机太阳能电池最佳化的经验,来打造第三代无机太阳能电池。

Sfeir表示:‘我们的梦想是打造一种太阳能电池,能利用有机裂变材料,完全以无机奈米粒子溶液制程来组装。’参与该研究的还包括来自哥伦比亚大学(Columbia University)的研究员。