为极其高效的太阳能电池铺平道路

2019-02-03 08:56:47
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设计和开发新的,更高效的太阳能电池的主要障碍之一可能已被清除。劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员开发了第一种从头算方法 - 意味着一个没有可调参数或经验参数的理论模型 - 用于表征半导体中“热载流子”的特性。热载流子是电荷载流子 - 电子和空穴 - 在热平衡时具有比电荷载体明显更高的能量。

“热载流子热化是太阳能电池效率损失的主要来源,但由于亚皮秒时间尺度和复杂的物理特性,热载流子的表征长期以来一直是挑战,即使对于最简单的材料,”Steven Louie说,伯克利实验室材料科学部(MSD)的理论物理学家和高级教师科学家。“我们的工作是第一次从头计算热载体感兴趣的关键数量 - 寿命,它告诉我们热载体失去能量需要多长时间,以及平均自由路径,它告诉我们热载体的距离能够在失去能量之前旅行。“

所有先前用于计算这些值的理论方法都需要从高质量样品的传输或光学测量中提取的经验参数,这是要求仅在硅和砷化镓中实现显着的半导体材料。由Louie和Jeff Neaton开发的ab initio方法,美国能源部(DOE)纳米科学用户设施分子铸造厂主任,在伯克利实验室主持,与Marco Bernardi,Derek Vigil-Fowler和Johannes Lischner合作,不需要实验参数除了材料的结构。

“这意味着我们可以在不依赖现有实验的情况下研究各种表面,纳米结构和材料(如无机和有机晶体)中的热载体,”Neaton说。“我们甚至可以研究尚未合成的材料。由于我们可以通过我们的方法获得理想且无缺陷的结构,我们可以预测内在寿命和平均自由路径,由于存在而难以从实验中提取实际样品中的杂质和缺陷。我们也可以使用我们的模型直接评估缺陷和杂质的影响。“

Neaton和路易一样,是加州大学伯克利分校的高级MSD教员科学家。Neaton还与Kavli Energy NanoSciences Institute保持联系。他们是“ 物理评论快报”中一篇论文的相应作者,该论文描述了这项题为“硅中阳光吸收后第一皮秒中热载体的从头算研究”的论文。Bernardi是该论文的主要作者,而Vigil-Fowler是该论文的主要撰稿人。

基于晶体硅的单结太阳能电池正快速接近其效率的理论极限,约为30%。这意味着如果基于硅的太阳能电池每平方米能量可以收集1,000瓦特,那么它所能产生的电力就达到每平方米300瓦。热载流子对提高太阳能电池效率至关重要,因为它们的热化导致硅中吸收的太阳能损失多达三分之一,而其他半导体中的相似值也相似。然而,用于光伏和其他现代光电应用的复杂材料中的热载流子的性质仍然知之甚少。

“我们的研究旨在为硅中的热载流子动力学提供有用的数据,并应用于太阳能电池,”Bernardi说。“在这项研究中,我们提供了第一原理的计算,这些原理分别描述了由电子和声子引起的两种关键损耗机制,具有最先进的精度,并且在密度泛函和多体扰动理论的框架内。”

当研究小组应用他们的方法研究硅中热载流子的弛豫时间和平均自由路径时,他们发现太阳能照射下的热化在350飞秒内完成,并且受到热载流子的声子发射的支配,这一过程逐渐变为随着热载体失去能量并向带边缘放松,速度变慢。该建模结果与泵 - 探针实验的结果非常一致。虽然该模型仅在本研究中用硅测试,但研究人员相信它与其他材料同样成功。

“我们相信我们的方法对于在太阳能电池和其他可再生能源技术背景下研究热载体的实验小组非常有价值,因为它可用于计算具有特定能量,动量和结晶方向的热载流子的寿命和平均自由路径。以前所未有的分辨率,“伯纳迪说。“随着我们将热载流子研究扩展到一系列晶体材料和纳米结构,我们相信我们的数据将提供独特的微观洞察力,以指导半导体热载流子的新实验。”

该研究得到美国能源部科学办公室和国家科学基金会的支持,并利用分子铸造厂以及国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源,该中心也得到美国能源部科学办公室的支持。

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