前沿科技之光伏電池外部效率首次超過100%

掃街

美國國家可再生能源實驗室（NREL：National Renewable Energy Laboratory）研究人員報道，他們的首款太陽能電池可產生一種光電流，外部量子效率大于100％，因為產生光子激發的光子來自高能段太陽光譜。
* A* ^5 }7 H4 y% y) A; r2 c光電流外部量子效率通常以百分比表示，是指每秒流過太陽能電池外部電路的電子數量，除以每秒進入太陽能電池的光子數量，這些光子具有特定的能級或波長。迄今為止，沒有一種太陽能電池的外部光電量子效率，在任何波長的太陽光譜上都可達到100％以上。
外部量子效率達到了高峰值114％。新報道的工作標志著可喜的一步，可開發下一代太陽能電池，既可用于太陽能發電，也可用于太陽能燃料，都具有競爭力，或者成本更低，勝過化石燃料或核能燃料。
多激子生成（MEG：Multiple Exciton Generation）是成功的關鍵。有一篇論文介紹這一突破，發表在12月16日一期的《科學》雜志上。題為《峰值外部光電量子效率超過100％源自多激子生成采用量子點太陽能電池》（Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100 percent via MEG in a Quantum Dot Solar Cell）。
! I  S" ]0 {1 \6 r4 @+ |, y6 k9 f8 S+ {這里的機制是，使量子效率超過100％，需要用太陽光子，依靠的一種工藝稱為多激子生成，就是吸收單個適當的高能光子，可以產生一個以上的電子-空穴對（electron-hole pair），每吸收一個光子都是這樣。
% F1 X- M2 G) e6 h6 M7 J8 j2001年，國家再生能源實驗室的科學家阿瑟J. •諾基科（Arthur J. Nozik）第一次預測，多激子生成采用半導體量子點會更有效，勝過采用塊狀半導體。量子點是微小晶體半導體，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，半導體表現出一些強烈的效應效果，都是因為量子物理學，這些效應比如：
迅速增加帶隙（bandgap）并縮小量子點尺寸；
$ I$ v, h) |# Q$ Q7 b# ^室溫下形成相關電子-空穴對（稱為激子）；
增強耦合電子粒子（電子和正空穴），這需要庫侖力（Coulombic forces）；
促進多激子生成過程；
) Z0 S* C2 E& U1 ?0 g量子點約束電荷，獲取多余能量；
3 v# ?4 n8 O" H7 }; K" I# w量子點把電荷載體限制在它們微小的體積內，可以獲取多余的能量，否則這些熱量會散發為熱，因此，這樣就可以大大增加效率，把光子轉換成可用能量。
研究人員達到了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，一層薄薄的透明導體，一層納米結構的氧化鋅（zinc oxide），一層硒化鉛（lead selenide）量子點，這一層經過乙二硫醇（ethanedithol）和肼（hydrazine）的處理，還有一薄層黃金，用于上電極。
這項新的研究結果報道的多激子生成，首次表現出100％以上的外部光電流量子生成率，測量采用了量子點太陽能電池，是在弱光下進行；這些電池表現出顯著的能量轉換效率，產生的總功率除以輸入功率，高達4.5％，這是采用了模擬太陽光。雖然這些太陽能電池未經優化，表現出相對較低的能量轉換效率，都是采用光電流和光電壓，但是，演示的多激子生成，在太陽能電池光電流中具有重要意義，因為它開辟了一些新的未經開發的方法，可以提高太陽能電池效率。
這項新成果另一個重要的方面是，它們符合以前采用時間分辨光譜測量的多激子生成，從而驗證了這些早期的多激子生成研究。出現完美相符，是因為外部量子效率糾正了光子數，這些光子確實被吸入電池光敏區。在這種情況下，確定的量子產量就被稱為內部量子效率。內部量子效率大于外部量子效率，這是因為，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。內部量子效率峰值達到了130％，出現這種情況，是因為考慮了這些反射和吸收的損失。
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hilldong

這個太高科技了，“外部效率首次超過100% ”這句話就夠我捉摸半天了。