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機(jī)械社區(qū)
標(biāo)題:
前沿科技之光伏電池外部效率首次超過(guò)100%
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作者:
掃街
時(shí)間:
2011-12-24 11:08
標(biāo)題:
前沿科技之光伏電池外部效率首次超過(guò)100%
美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL:National Renewable Energy Laboratory)研究人員報(bào)道,他們的首款太陽(yáng)能電池可產(chǎn)生一種光電流,外部量子效率大于100%,因?yàn)楫a(chǎn)生光子激發(fā)的光子來(lái)自高能段太陽(yáng)光譜。
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光電流外部量子效率通常以百分比表示,是指每秒流過(guò)太陽(yáng)能電池外部電路的電子數(shù)量,除以每秒進(jìn)入太陽(yáng)能電池的光子數(shù)量,這些光子具有特定的能級(jí)或波長(zhǎng)。迄今為止,沒(méi)有一種太陽(yáng)能電池的外部光電量子效率,在任何波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜上都可達(dá)到100%以上。
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外部量子效率達(dá)到了高峰值114%。新報(bào)道的工作標(biāo)志著可喜的一步,可開(kāi)發(fā)下一代太陽(yáng)能電池,既可用于太陽(yáng)能發(fā)電,也可用于太陽(yáng)能燃料,都具有競(jìng)爭(zhēng)力,或者成本更低,勝過(guò)化石燃料或核能燃料。
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多激子生成(MEG:Multiple Exciton Generation)是成功的關(guān)鍵。有一篇論文介紹這一突破,發(fā)表在12月16日一期的《科學(xué)》雜志上。題為《峰值外部光電量子效率超過(guò)100%源自多激子生成采用量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池》(Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100 percent via MEG in a Quantum Dot Solar Cell)。
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這里的機(jī)制是,使量子效率超過(guò)100%,需要用太陽(yáng)光子,依靠的一種工藝稱(chēng)為多激子生成,就是吸收單個(gè)適當(dāng)?shù)母吣芄庾?,可以產(chǎn)生一個(gè)以上的電子-空穴對(duì)(electron-hole pair),每吸收一個(gè)光子都是這樣。
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2001年,國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家阿瑟J. •諾基科(Arthur J. Nozik)第一次預(yù)測(cè),多激子生成采用半導(dǎo)體量子點(diǎn)會(huì)更有效,勝過(guò)采用塊狀半導(dǎo)體。量子點(diǎn)是微小晶體半導(dǎo)體,尺寸范圍是1-20納米,1納米等于一米的十億分之一。在這樣小的尺度,半導(dǎo)體表現(xiàn)出一些強(qiáng)烈的效應(yīng)效果,都是因?yàn)榱孔游锢韺W(xué),這些效應(yīng)比如:
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迅速增加帶隙(bandgap)并縮小量子點(diǎn)尺寸;
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室溫下形成相關(guān)電子-空穴對(duì)(稱(chēng)為激子);
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增強(qiáng)耦合電子粒子(電子和正空穴),這需要庫(kù)侖力(Coulombic forces);
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促進(jìn)多激子生成過(guò)程;
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量子點(diǎn)約束電荷,獲取多余能量;
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量子點(diǎn)把電荷載體限制在它們微小的體積內(nèi),可以獲取多余的能量,否則這些熱量會(huì)散發(fā)為熱,因此,這樣就可以大大增加效率,把光子轉(zhuǎn)換成可用能量。
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研究人員達(dá)到了114%的外部量子效率,他們采用一種分層電池,這種電池中包含抗反射鍍膜玻璃,一層薄薄的透明導(dǎo)體,一層納米結(jié)構(gòu)的氧化鋅(zinc oxide),一層硒化鉛(lead selenide)量子點(diǎn),這一層經(jīng)過(guò)乙二硫醇(ethanedithol)和肼(hydrazine)的處理,還有一薄層黃金,用于上電極。
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這項(xiàng)新的研究結(jié)果報(bào)道的多激子生成,首次表現(xiàn)出100%以上的外部光電流量子生成率,測(cè)量采用了量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池,是在弱光下進(jìn)行;這些電池表現(xiàn)出顯著的能量轉(zhuǎn)換效率,產(chǎn)生的總功率除以輸入功率,高達(dá)4.5%,這是采用了模擬太陽(yáng)光。雖然這些太陽(yáng)能電池未經(jīng)優(yōu)化,表現(xiàn)出相對(duì)較低的能量轉(zhuǎn)換效率,都是采用光電流和光電壓,但是,演示的多激子生成,在太陽(yáng)能電池光電流中具有重要意義,因?yàn)樗_(kāi)辟了一些新的未經(jīng)開(kāi)發(fā)的方法,可以提高太陽(yáng)能電池效率。
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這項(xiàng)新成果另一個(gè)重要的方面是,它們符合以前采用時(shí)間分辨光譜測(cè)量的多激子生成,從而驗(yàn)證了這些早期的多激子生成研究。出現(xiàn)完美相符,是因?yàn)橥獠苛孔有始m正了光子數(shù),這些光子確實(shí)被吸入電池光敏區(qū)。在這種情況下,確定的量子產(chǎn)量就被稱(chēng)為內(nèi)部量子效率。內(nèi)部量子效率大于外部量子效率,這是因?yàn)?,入射光子中很大一部分散失了,有些被反射,有些被吸入電池中非光電流生成區(qū)。內(nèi)部量子效率峰值達(dá)到了130%,出現(xiàn)這種情況,是因?yàn)榭紤]了這些反射和吸收的損失。
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作者:
hilldong
時(shí)間:
2014-7-2 14:56
這個(gè)太高科技了,“外部效率首次超過(guò)100% ”這句話(huà)就夠我捉摸半天了。
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