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太阳能电池存在多激子 1个光子获得1.14个电子

2011-12-22 09:35
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  美国国家可再生能源实验室(NREL)宣布了已证实太阳能电池上会有多激子产生(MEG:multiple exciton generation)现象的消息。在含有PbSe量子点的太阳能电池上,用从电极上取出的电子数与被吸收光子数之比定义的外量子效率为114±1%。详细内容已经请参见2011年12月16日的学术杂志《科学》上发表的论文。这对于开发“第三代”太阳能电池技术,可谓是重要的一步。

  截止目前,普通太阳能电池在光电转换时,相对于1个被吸收的光子只能产生1个电子空穴对(激子)。从1个激子可获得的最大电量取决于半导体材料的带隙。因此,能量小于带隙的光子对光电转换起不到作用,而能量远远大于带隙的光子即使被半导体吸收,也只能获得与带隙相应的电量。其他能量则变成热量而丧失。这称为“Shockley-Queisser极限”,是太阳能电池转换效率难以提高的原因之一。

  而MEG是指当能量为带隙2倍以上的1个光子被材料吸收时,会产生两个以上激子的现象。如果能够应用于太阳能电池,则能够实现突破原来极限的高转换效率。如果对于某种波长的光,太阳能电池的内量子效率达到100%以上,则可证明该光发生了MEG。

  此次,NREL研究人员Arthur J. Nozik的研究小组,试制出了对于能量为3.44eV的紫外线,其内量子效率约为130%、外量子效率约为114%的量子点太阳能电池。由此证实了MEG可在太阳能电池中发生且能够有效利用。Nozik于1997年首次预测MEG现象能在半导体中发生,并一直在引领着MEG研究(本站报道)。论文中写道,以前也曾有研究证实太阳能电池的内量子效率超过100%,但在电子获取方面存在课题,因此外量子效率仍低。而此次的太阳能电池不仅内量子效率、外量子效率也大大超过100%,“这是表明MEG发生的决定性证据”(论文)。

  证实了MEG的量子点太阳能电池,是在玻璃基板上依次层叠作为透明电极的ITO层、40~60nm厚的ZnO层、50~250nm厚的PbSe量子点层及Au电极而制成的。PbSe量子点是在化学溶液中制作的。内量子效率130%,是太阳能电池带隙为0.72eV时,与能量为3.44eV(波长约为360nm)的紫外线区域光子的比值。据称,可计算出,MEG本身约为带隙的2.6倍、即约1.9eV以上(波长约为653nm以下)的可见光也能够发生。

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