美能源部發現「同位素抑制散熱法」可提高下一代太陽能電池的效率

2020-10-20 科創板日報

財聯社（上海，編輯 黃君芝）訊，近期，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）和田納西大學諾克斯維爾分校研究發現了一種頗具前景的太陽能材料，可以通過材料中同位素的置換大大增加載流子冷卻的時間，進而提升轉化效率。

該材料揭示了一種減緩聲子的方法，聲子是一種傳輸熱量的波。這一發現可以改進新型熱載流子太陽能電池，使其比傳統的太陽能電池更有效地將陽光轉化為電能，在它們失去能量轉化為熱能之前，利用光生電荷載流子。

「我們的研究證明，可以通過改變光伏材料中氫原子的質量來控制熱傳輸和載流子冷卻的時間。」橡樹嶺國家實驗室的研究人員Michael Manley說：「這種延長電荷載流子壽命的途徑為在新型熱載流子太陽能電池中實現創紀錄的太陽能轉換效率提供了新的策略。」

田納西大學的Mahshid Ahmadi則指出：「調整有機分子的動力學特性可以控制對有機金屬鈣鈦礦中導熱性很重要的聲子。這些半導體材料在光伏應用中很有前景。」

Manley和 Ahmadi設計並管理了上述研究，並已發表在了《科學進展》（Science Advances）上。研究人員們發現了一種通過將較輕的同位素替換為有機金屬鈣鈦礦中的較重同位素來抑制無用電荷冷卻的方法。同位素是化學上相同的原子，只是由於中子數的不同而在質量上有所不同。

具體而言，當陽光照射到太陽能電池上時，光子會在吸收材料中產生電荷載流子（電子和空穴）。熱載流子太陽能電池可將載流子的能量迅速轉換為電能，然後再以廢熱的形式損失掉。因此，對於太陽能電池而言，防止熱量損失是一個巨大的挑戰。

有鑑於此，科學家們研究了鈣鈦礦吸收劑材料甲基銨碘化鉛，並領導合成了新的甲基銨碘化鉛晶體。其中，他們用氘（具有一個中子）代替了氫，結果表明，這將使甲基銨更重，並能有效降低其搖擺速度，因此它可以與去除熱量的振動相互作用，從而使載流子保持更長的時間。

研究人員表示，「氘化使傳熱速度大大降低，從而使載流子冷卻時間增加了一倍。這是改善光伏性能的重要因素。」截止目前為止，傳統鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率已從2009年的3％提高到2020年的25％以上。而設計精良的熱載流子裝置理論上的轉換效率可達到66％。

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