单线态裂变可以将太阳能电池效率提高

2018-12-28 09:26:49
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加利福尼亚大学河滨化学家上个月在物理化学快报杂志上发表的一篇透视文章被选为编辑选择 - 这是一篇只有少数研究论文得到的荣誉。该观点回顾了化学家关于“单线态裂变”的工作,这是一个单光子产生一对激发态的过程。众所周知,这种1-> 2转换过程有可能将太阳能电池效率提高30%。

该研究的应用包括更节能的照明和光电探测器,效率可达200​​%,可用于夜视。作为保护机制,生物学可以使用单线态裂变来处理高能太阳光子而不产生过多的热量。

目前,太阳能电池通过吸收光子起作用,光子产生激子,随后分离成电子 - 空穴对。正是这些电子成为太阳能电力。然而,这些太阳能电池的效率被限制在约32%,即所谓的“Shockley-Queisser Limit”。未来的太阳能电池,也称为“第三代”太阳能电池,必须超过这个限制,同时保持廉价,需要使用新的物理过程。单线态裂变就是这种过程的一个例子。

“我们的研究大约在十年前开始,当时我们开始考虑太阳能以及可能需要的新型光物理学,”化学教授Christopher Bardeen说,他的实验室领导了这项研究。“全球变暖问题和能源安全使得太阳能转换成为社会观点的重要主题。更高效的太阳能电池将导致更广泛地使用这种清洁能源。”

当光子被吸收时,其能量采取材料内部激子的形式。Bardeen解释说,激子有两种“味道”,由它们中的电子旋转定义。一种风味是单线,所有旋转都配对。另一种味道是三重态,其中两个电子未配对。在有机半导体中,这两种激子具有不同的能量。

“如果三重态激子具有单重态能量的一半,那么由一个光子产生的单重激子可能会分裂成两个三重态激子,”Bardeen说。“因此,每个吸收的光子可以产生200%的激子产量 - 并且希望是电子。”

他解释说,Shockley-Queisser Limit涉及光子吸收以产生激子,它基本上是束缚电子( - 电荷)和空穴(+电荷)对。为了获得有用的电子流(光电流),必须解离这些激子。理想情况下,一个激子产生一个电子(空穴),从而产生电流,例如一个灯泡。

“为了吸收光子,光子能量必须大于半导体的带隙,所以你已经错过了部分太阳光谱,”Bardeen说。“但是,如果你吸收能量高于带隙的光子,它就会产生过多的能量,并且多余的能量通常会被浪费掉。诀窍是利用高能量激子并将能量分成两个激子而不是消散它就像热一样。“

Bardeen解释说,单线激子通过一种仍在积极调查中的机制自发地分裂成两个三胞胎。

“确切的机制是未知的,但它确实很快发生 - 在亚纳秒时间尺度 - 并且效率很高,”他说。“我们的研究表明它对两个分子的排列和位置非常敏感 - 至少有两个是必需的,因为我们有两个激子 - 涉及单线裂变。麻省理工学院最近的工作已经证明了有机光伏电池基于这种效应,外部量子效率超过100%。有可能将这种效应与无机半导体结合起来,并用它来提高效率。“

接下来,Bardeen的实验室将寻找展示单线态裂变的新材料,弄清楚如何获取三重态激子并将它们有效地转换为光电流,并观察电子的自旋特性如何影响激子动力学。

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