揭开纳米晶太阳能电池的神秘面纱

2019-02-23 18:00:23
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ETH研究人员开发了一个综合模型来解释电子如何在由微小晶体制成的新型太阳能电池内流动。该模型可以更好地理解这些细胞,并有助于提高其效率。

科学家们正致力于为下一代太阳能电池研究纳米级晶体。这些纳米晶体具有优异的光学性质。与当今太阳能电池中的硅相比,纳米晶体可以设计为吸收更大部分的太阳光谱。然而,基于纳米晶体的太阳能电池的发展具有挑战性:“这些太阳能电池包含许多单个纳米尺寸晶体的层,通过分子胶结合在一起。在这种纳米晶体复合材料中,电子不能像商业用途那样流动。应用,“苏黎世联邦理工学院材料与设备工程教授Vanessa Wood解释说。到目前为止,这种复杂材料系统中的电子传输物理学还没有被理解,因此不可能系统地设计出更好的纳米晶体复合材料。

伍德和她的同事对纳米晶太阳能电池进行了广泛的研究,他们在苏黎世联邦理工学院的实验室制造并对其进行了表征。他们首次通过普遍适用的物理模型描述了这些类型细胞中的电子传递。“我们的模型能够解释改变纳米晶体尺寸,纳米晶体材料或粘合剂分子对电子传输的影响,”Wood说。该模型将使研究领域的科学家更好地了解纳米晶太阳能电池内部的物理过程,并使他们能够提高太阳能电池的效率。

由于量子效应,前景看好

许多太阳能电池研究人员对这种微小晶体充满热情的原因是,在小尺寸上,量子物理学的影响开始发挥作用,这在体半导体中是观察不到的。一个例子是纳米晶体的物理性质取决于它们的尺寸。由于科学家可以在制造过程中轻松控制纳米晶体尺寸,因此它们也能够影响纳米晶体半导体的特性并优化它们用于太阳能电池。

可以通过改变纳米晶体尺寸来影响的一个这样的性质是太阳光谱的量可以被纳米晶体吸收并且被太阳能电池转换成电。半导体不吸收整个太阳光谱,而是仅吸收低于特定波长的辐射,或者换句话说 - 能量大于半导体的所谓带隙能量。在大多数半导体中,只能通过更改材料来更改此阈值。然而,对于纳米晶体复合材料,可以通过改变单个晶体的尺寸简单地改变阈值。因此,科学家们可以选择纳米晶体的大小,使它们从广泛的太阳光谱中吸收最大量的光。

纳米晶体半导体的另一个优点是它们比传统半导体吸收更多的阳光。例如,ETH研究人员在其实验工作中使用的硫化铅纳米晶体的吸收系数比传统上用作太阳能电池的硅半导体的吸收系数大几个数量级。因此,相对少量的材料足以用于生产纳米晶体太阳能电池,使得可以制造非常薄的柔性太阳能电池。

需要更高的效率

ETH研究人员提出的新模型回答了一系列与纳米晶体复合材料中电子传输有关的未解决的问题。例如,到目前为止,还没有实验证据证明纳米晶体复合物的带隙能量直接取决于各个纳米晶体的带隙能量。“我们第一次通过实验证明了情况就是如此,”伍德说。

在过去的五年中,科学家们成功地大大提高了纳米晶体太阳能电池的效率,但即使在最好的太阳能电池中,只有9%的太阳能电池上的入射阳光被转换成电能。“对于我们开始考虑商业应用,我们需要达到至少15%的效率,”伍德解释说。她的团队的工作使研究人员更接近于提高电子传输和太阳能电池的效率。

科学家们正致力于为下一代太阳能电池研究纳米级晶体。这些纳米晶体具有优异的光学性质。与当今太阳能电池中的硅相比,纳米晶体可以设计为吸收更大部分的太阳光谱。然而,基于纳米晶体的太阳能电池的发展具有挑战性:“这些太阳能电池包含许多单个纳米尺寸晶体的层,通过分子胶结合在一起。在这种纳米晶体复合材料中,电子不能像商业用途那样流动。应用,“苏黎世联邦理工学院材料与设备工程教授Vanessa Wood解释说。到目前为止,这种复杂材料系统中的电子传输物理学还没有被理解,因此不可能系统地设计出更好的纳米晶体复合材料。

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