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美发现量子阴影态可使太阳能电池转换效率加倍

http://cn.newmaker.com 12/31/2011 7:13:00 PM 佳工机电网

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美国德州大学奥斯汀分校（The University of Texas at Austin）的化学教授Xiaoyang Zhu最近发表一项研究成果，可将太阳能电池的转换效率提升一倍。Zhu的研究团队发现，利用一种有机塑料半导体材料并五苯（pentacene），就能从阳光的光子中收获到两倍数量的高能量电子。

“用塑料半导体材料生产太阳能电池有很多优势，成本较低是其中之一；”Zhu表示，“结合分子设计与合成的广泛能力，我们的发现为太阳能转换方法开辟了一条新途径，也可望能达成更高的效率。”

目前硅晶太阳能电池理论上最高转换效率为31%左右，这是因为大部分到达电池芯的光能量波长，无法被转换成有效的电力。研究团队指出，那些无法转换成电力的能量会以热的形式流失；若能撷取由温度激发的热电子能量，就可望将太阳能光电转换效率提升到66%。

Zhu与研究团队成员先前证实，那些热电子能利用半导体纳米晶体（nanocrystal）来撷取，该理论曾在2010年发表于《Science》期刊；但Zhu表示，后续将该研究理论转化为实际可行技术的过程非常艰辛，其中的主要障碍在于需要将太阳光聚焦，不像一般太阳能光电板只要收集自然环境中的光线即可。

现在Zhu的研究团队找到了替代方案，发现在并五苯半导体材料中，光子会产生一个黑暗的量子“阴影态（shadow state）”，在该处能撷取到两个电子，产生更多的能量。光子的吸收作用会产生激发的电子-空穴对（electron-hole pair），也就是激子（exciton）；激子会因为量子力学而与黑暗的“阴影态”耦合，成为多激子（multi-exciton）。

而多激子恰巧能成为两个电子有效的源极（source），将之传送到例如富勒烯（fullerene）的电子受体材料；富勒烯是一种球状的碳60同素异形体（ allotrop），也是上述研究中所采用的材料。研究人员表示使采用这种材料能将并五苯太阳能电池的转换效率提升到44%，而且不需要将太阳光束聚焦。

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