大多數光伏太陽能電池具有固有的效率上限，限制了它們從太陽中提取的有用能量。但科學家正在尋找解決這一障礙的方法，通過新的研究可以使太陽能更有效，更具成本效益。
在科羅拉多州戈爾登市的國家可再生能源實驗室（NREL），研究人員正在研究如何讓一個單位的光源一次推動多個電子。與此同時，麻省理工學院的一個團隊正致力於為太陽能電池提供合適的光源，以確保其能量不會浪費。
「太陽能轉換的一個主要局限是這些高能光子沒有被有效地轉換。你會失去大量的能量來加熱，」NREL的資深科學家Matthew Beard說。他上周在「 科學」雜誌上合著了一篇論文，證明了一種在量子水平上使用稱為多激子產生（MEG）的過程達到效率達到114％的設備。
「它在某些方面與傳統太陽能電池的運行方式相同，」比爾德說。「它不使用塊狀晶體，而是使用量子點。」 大多數太陽能電池由兩層晶體夾層組成：一層略帶負電，另一層略帶正電。負晶體具有額外的電子，當具有足夠能量的光子撞擊材料時，它會在正側移動電子，增加其能量並留下「空洞」。電子 - 空穴配對稱為激子。
MEG是「第三代」太陽能技術的先鋒技術之一。利用這些進步，太陽能電池板可以比市場上的現有裝置更薄，更輕，更便宜，更靈活並且基本上更有效。因此，太陽能將更具成本效益，並將在世界能源組合中佔據更大份額。
但首先這些面板必須繞過Shockley-Quiessler極限，這是當代光伏系統的禍根。
節省浪費的太陽能
「SQ」限制描述了使用具有單個半導體結的傳統單層設計的太陽能電池的最大效率。對於大多數常見的太陽能電池材料，理想條件下的效率限制約為32％。這意味著，如果您考慮到反射，布線和安裝硬體造成的損失，太陽能電池板上至少有三分之二的能量會被浪費掉。如果向單元添加層，效率會提高，但這會大大提高設備的價格和複雜性。目前，多結太陽能電池主要限於衛星，其中對效率，低重量和小空間的需求勝過成本問題。
現在，科學家正在調整納米尺度的太陽能電池材料，以便在不增加價格或複雜性的情況下擠出更好的性能，通過SQ限制找到漏洞。
在目前的光伏電池中，陽光會驅逐電子，產生移動電荷，通過電路進入負晶體，然後回到正極，在那裡填充孔。如果光子沒有足夠的能量，電子保持不變。如果光子具有太多能量，則電荷僅使用其所需的能量流動，並且其餘部分使裝置升溫。
Beard的團隊找到了一種利用量子點製作多個孔的方法 - 量子點 - 尺寸在2到10納米之間的微小半導體材料塊。它們的小尺寸允許它們包含電荷並且更有效地將光轉換成電。在這種情況下，點由鉛和硒製成。當具有移動電子所需能量的至少兩倍的光子撞擊硒化鉛量子點時，它可以激發兩個或更多個電子而不是讓額外的能量浪費，產生比傳統太陽能電池更多的電流。
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「這裡的整體設備效率約為4％。我們需要[設備]大約10％到15％才能吸引大量的商業關注，」比爾德說。他預計，隨著進一步發展，MEG太陽能電池的運行效率可達44％。
SQ限制的另一種方法是通過單線態裂變。同樣是NREL資深科學家的賈斯汀詹森說，這個過程類似於MEG，不過它使用的是有機分子 - 由碳而不是半導體製成的化合物。「如果你設計你的分子，而不是冷卻到較低的狀態，你產生兩個電子 - 空穴對，你不會失去儘可能多的能量，如果讓分子放鬆並釋放能量，熱，「詹森說。
詹森在科羅拉多州科羅拉多大學的NREL和Josef Michl與Arthur Nozik合作，在一種稱為1,3-二苯基異苯並呋喃的化合物中展示了單線裂變。當光子撞擊該物質的分子時，其電子進入更高能量的激發態。當它放鬆時，它可以將能量轉移到附近的分子上。在去年發表在「 美國化學學會雜誌」上的一項研究中，研究小組觀察到這些分裂能量狀態的產率為200％。在實際設備中，詹森預計效率上限為46％。
保持簡單
單線態裂變太陽能電池也比更常見的矽基太陽能電池更具成本效益。「有機材料的優點是幾乎所有的有機化合物都可以廉價地大規模生產，」詹森說。「主要的限制是如何優化材料以使它們有效地產生電力。一旦我們理解了這些設計原則，我們就能像太陽能電池一樣製造分子。」
雖然這兩個過程都可以規避SQ限制，但它們仍然需要高能量光，這隻佔太陽光譜的一小部分。在麻省理工學院，研究科學家Peter Bermel正在尋找一種解決方案，使用可吸收太陽熱量並發光的材料。「選擇性發射體輻射高能光子，而不是低能光子，」Bermel說。「你將光譜壓縮到一個非常窄的波長範圍內。」
吸收劑由超材料製成，這種物質經過精心設計，具有自然界中沒有的特性。它像大多數其他化合物一樣在陽光下加熱，但它不會將熱量散發到周圍環境中。這使它能夠集中熱能並變得非常熱。吸收器將其能量傳遞給發射器，發射器然後耦合到光伏板，在那裡發電。在10月份發表在Nanoscale Research Letters上的一篇論文中，Bermel計算出這樣的設備可以以37％的效率運行。
科學家們承認，這項研究在到達你附近的屋頂之前仍然需要工作。「我們需要進一步改進初級轉換過程，」MEG的Beard說，指的是光是如何轉換成激子的。此外，「我們需要研究其他量子點材料而不是硒化鉛，因為鉛是有毒的，」他說。
詹森指出，另一個問題是保持設備簡單。這將使新太陽能電池易於製造並降低成本，使其更有可能獲得廣泛認可。Bermel同意並補充說，他希望「探索非常簡單但在某種意義上與現有設計不同的設計。我們不僅僅是嘗試進行非常漸進的改進，而是試圖開發新的概念。」