NREL向開發「第三代」太陽能電池技術邁出重要一步

2021-01-17 北極星太陽能光伏網

北極星太陽能光伏網訊:美國國家可再生能源實驗室(NREL)宣布了已證實太陽能電池上會有多激子產生(MEG：multipleexcitongeneration)現象的消息。在含有PbSe量子點的太陽能電池上，用從電極上取出的電子數與被吸收光子數之比定義的外量子效率為114±1%。這對於開發「第三代」太陽能電池技術，可謂是重要的一步。

截止目前，普通太陽能電池在光電轉換時，相對於1個被吸收的光子只能產生1個電子空穴對(激子)。從1個激子可獲得的最大電量取決於半導體材料的帶隙。因此，能量小於帶隙的光子對光電轉換起不到作用，而能量遠遠大於帶隙的光子即使被半導體吸收，也只能獲得與帶隙相應的電量。其他能量則變成熱量而喪失。這稱為「Shockley-Queisser極限」，是太陽能電池轉換效率難以提高的原因之一。

而MEG是指當能量為帶隙2倍以上的1個光子被材料吸收時，會產生兩個以上激子的現象。如果能夠應用於太陽能電池，則能夠實現突破原來極限的高轉換效率。如果對於某種波長的光，太陽能電池的內量子效率達到100%以上，則可證明該光發生了MEG。

此次，NREL研究人員ArthurJ.Nozik的研究小組，試製出了對於能量為3.44eV的紫外線，其內量子效率約為130%、外量子效率約為114%的量子點太陽能電池。由此證實了MEG可在太陽能電池中發生且能夠有效利用。Nozik於1997年首次預測MEG現象能在半導體中發生，並一直在引領著MEG研究(本站報導)。論文中寫道，以前也曾有研究證實太陽能電池的內量子效率超過100%，但在電子獲取方面存在課題，因此外量子效率仍低。而此次的太陽能電池不僅內量子效率、外量子效率也大大超過100%，「這是表明MEG發生的決定性證據」(論文)。

證實了MEG的量子點太陽能電池，是在玻璃基板上依次層疊作為透明電極的ITO層、40～60nm厚的ZnO層、50～250nm厚的PbSe量子點層及Au電極而製成的。PbSe量子點是在化學溶液中製作的。內量子效率130%，是太陽能電池帶隙為0.72eV時，與能量為3.44eV(波長約為360nm)的紫外線區域光子的比值。據稱，可計算出，MEG本身約為帶隙的2.6倍、即約1.9eV以上(波長約為653nm以下)的可見光也能夠發生。

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