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功率技術/新能源  

有機塑膠半導體材料可望提升太陽能電池轉換效率

上網時間: 2011年12月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:有機塑膠半導體材料  太陽能電池  轉換效率  光子  五苯 

美國德州大學奧斯汀分校(The University of Texas at Austin)的化學教授Xiaoyang Zhu最近發表一項研究成果,可將太陽能電池轉換效率提升一倍。Zhu的研究團隊發現,利用一種有機塑膠半導體材料五苯(pentacene),就能從陽光的光子中收穫到兩倍數量的高能量電子。

「用塑膠半導體材料生產太陽能電池有很多優勢,成本較低是其中之一;」Zhu表示:「結合分子設計與合成的廣泛能力,我們的發現為太陽能轉換方法開闢了一條新途徑,也可望能達成更高的效率。」

目前矽晶太陽能電池理論上最高轉換效率為31%左右,這是因為大部分到達電池芯的光能量波長,無法被轉換成有效的電力。研究團隊指出,那些無法轉換成電力的能量會以熱的形式流失;若能擷取由溫度激發的熱電子能量,就可望將太陽能光電轉換效率提升到66%。

Zhu與研究團隊成員先前證實,那些熱電子能利用半導體奈米晶體(nanocrystal)來擷取,該理論曾在2010年發表於《科學(Science)》期刊;但Zhu表示,後續將該研究理論轉化為實際可行技術的過程非常艱辛,其中的主要障礙在於需要將太陽光聚焦,不像一般太陽能光電板只要收集自然環境中的光線即可。

現在Zhu的研究團隊找到了替代方案,發現在五苯半導體材料中,光子會產生一個黑暗的量子「陰影態(shadow state)」,在該處能擷取到兩個電子,產生更多的能量。光子的吸收作用會產生激發的電子-電洞對(electron-hole pair),也就是激子(exciton);激子會因為量子力學而與黑暗的「陰影態」耦合,成為多激子(multi-exciton)。

而多激子恰巧能成為兩個電子有效的源極(source),將之傳送到例如富勒烯(fullerene)的電子受體材料;富勒烯是一種球狀的碳60同素異形體(allotrop),也是上述研究中所採用的材料。研究人員表示,採用這種材料能將五苯太陽能電池的轉換效率提升到44%,而且不需要將太陽光束聚焦。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Dark discovery could double solar cell efficiency,by Peter Clarke





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