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MIT提升矽基太陽能電池最高效率到35%

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科技產業資訊室 - 王宣智 發表於 2019年8月2日

圖、MIT提升矽基太陽能電池最高效率到35%

美國 MIT 研究者透過實驗證實矽基太陽能電池總體效率不是 29.1%,新的理論最高效率為35%。研究成果已發表在 Nature 期刊上。
 
傳統的太陽能電池每個光子只能接觸單個電子,即使光子攜帶了兩倍所需的能量,仍只能激發單一個電子,限制讓矽基電池的最高太陽能轉換效率之理論值為29.1%。MIT 和普林斯頓大學的研究人員在過去幾年中開發出了一種新的方法,可以提升絕對的理論最大轉換率,令其達到 35%。
 
這項技術的基本概念已經提出數十年,六年前 MIT 的研究團隊首次透過有機太陽能電池證明這一個概念的可行性,實現了讓一個光子激發多個電子。但是,有機太陽能電池的轉換效率低於矽基太陽能電池,且要將電子由四苯層轉移至矽基太陽能電池中並不容易。因此,研究人員耗費了數年的努力,才在矽基太陽能電池上實現此概念。
 
將一個光子能量分給兩個電子的關鍵是一種稱為激子的特殊材料,為一種具有激發態的材料。在激子材料內可透過能量包的方式傳遞能量,就類似電路中的電子一樣的移動,但卻有著與電子完全不同的性質。激子材料內的能量包可以透過切割、結合的方式,改變能量包的能量。光首先將能量轉移給激子材料內的能量包,然後再透過單線程激子裂變的過程,將能量包分成兩個獨立的能量包,每一個能量只僅具有原始激發態一半的能量,即可實現一個光子將能量分給兩個電子。
 
矽是一個非激子材料,因此要實現上述概念,最大的難處在於將能量與矽基太陽能電池耦合。研究人員透過製造一種薄的中間層,實現了讓矽基太陽能電池產生激子層的結構。研究人員使用一種名為鉿氧氮化物的材料,放置於四苯層和矽基太陽能電池間。只有幾個原子厚的鉿氧氮化物形成一個漂亮的橋樑,最終使得單個高能光子可以觸發矽基太陽能電池內的兩個電子,有效運用了藍光和綠光內的能量。
 
目前新式的矽基電池轉換效率仍未達到最大值,仍需要更多的研發。但此研究已證明了有效耦合這兩種材料的關鍵步驟。接下去只要持續優化,並提升穩定性與耐用性,將在數年後成為新的商業應用。(796字)


參考資料:
Experiments show dramatic increase in solar cell output. Tech Xplore,2019/7/3
Experiments Show Dramatic Increase in Solar Cell Output. I-Connect007,2019/7/4
Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene. Nature,2019/7/3


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