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美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员首次制造出外量子效率超过100%的太阳电池,即单位时间内流过太阳电池外部电路的电子数量,超过了单位时间内进入太阳电池的光子数量。外量子效率超过100%,意味着太阳电池吸收单个高能光子,会产生多个激子。这项成果发表在日前出版的《科学》杂志上多激子的产生是研究的关键,这是借助半导体量子点材料实现的。量子点材料可以将载流子限制在其微小体积内,获取多余能量,防止能量以热量形式散发,从而大大提高效率,将光子转化为电能。
研究人员此次达到的外量子效率为114%,他们采用了由抗反射镀膜玻璃组成的电池,包括透明导电层,纳米结构氧化锌层,经过乙二硫醇和肼处理的硒化铅量子点层,以及用于顶电极的黄金层。
这项研究是低光照度条件下运行的量子点太阳电池的外量子效率首次突破100%。该电池在模拟阳光下的能量转换效率达到4.5%。虽然这些太阳电池未经优化,因此表现出的转换效率相对较低,但在太阳电池光电流中展示了多激子的生成仍然具有重要意义,这一结果为提高太阳电池效率开辟了一条新的未被探索过的路径。
该研究结果另一重要意义在于,它适合于此前采用时间分辨光谱测量多激子生成的方法,从而验证了此前的多激子生成研究。如果考虑被电池光敏区域实际吸收的光子数量,从而对外量子效率进行修正,则结果与此前的研究能够很好地吻合。在这种情况下,被确定的量子产率被称为内量子效率。由于部分入射光子会被反射或被电池内非光电流生成区域所吸收,因此内量子效率比外量子效率要高。考虑到这些情况,该研究中内量子产率的峰值可达到130%。
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研究人员日前研制出一种新型太阳能电池,能够捕捉到阳光中通常以热量损失掉的额外能量。迄今为止,这种新型太阳能电池将阳光转化为电能的效率依然低于商用太阳能电池。然而如果这一过程得到改进,将为研制新一代更高效的太阳能电池铺平道路。研究人员开发出能够比一个光子产生一个电子的模式收获更多电子的太阳能电池对大多数材料而言,阳光的光子向电能的转化已被充分搞清。不同颜色的光子具有不同的能量。在可见光区,红色与橙色具有较少的能量,然而蓝色、紫色和紫外光子则携带了较多的能量。当高能光子接触到太阳能电池中的半导体材料时,它们便会把这种能量转移给半导体电子,从而将其从静止状态
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