圖片來源：《科學(xué)》

據(jù)科學(xué)時報報道，研究人員近日開發(fā)出能夠比一個光子產(chǎn)生一個電子的模式收獲更多電子的太陽能電池。迄今為止，這種新型太陽能電池將陽光轉(zhuǎn)化為電能的效率依然低于商用太陽能電池。然而如果這一過程得到改進，將為研制新一代更高效的太陽能電池鋪平道路。

對大多數(shù)材料而言，陽光的光子向電能的轉(zhuǎn)化已被充分搞清。不同顏色的光子具有不同的能量。在可見光區(qū)，紅色與橙色具有較少的能量，然而藍色、紫色和紫外光子則攜帶了較多的能量。當(dāng)高能光子接觸到太陽能電池中的半導(dǎo)體材料時，它們便會把這種能量轉(zhuǎn)移給半導(dǎo)體電子，從而將其從靜止?fàn)顟B(tài)激發(fā)，并形成電流。在許多情況下，紫光和紫外線的高能光子攜帶的能量要多于形成電流所需的能量。但是這些額外的能量都以熱量的形式損失了。

幾年前，來自多個研究小組的科學(xué)家報告說，陽光中的高能光子實際上能夠激發(fā)不止一個電子，前提是它們所碰到的半導(dǎo)體由一種名為量子點的納米級微粒構(gòu)成。這一過程——被稱為多重激子發(fā)生(MEG)——為研究人員通過收集這些額外的電荷從而改進太陽能電池的效率帶來了希望。然而制造能夠工作的MEG太陽能電池卻不是一件容易事。

去年，由美國拉勒米市懷俄明州立大學(xué)的化學(xué)家Bruce Parkinson領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《科學(xué)》雜志上報告說，他們開發(fā)出一種裝置，即在一種半導(dǎo)體上覆蓋了一層硫化鉛量子點，能夠激發(fā)出比它所接收到的光子數(shù)量更多的電子，從而產(chǎn)生了更大的電流，而這正是MEG的特征。然而與一枚能夠?qū)嶋H應(yīng)用的太陽能電池相比，這種裝置更多的是對概念的證明，原因是它的轉(zhuǎn)化效率過低。

如今，由科羅拉多州國家再生能源實驗室的化學(xué)家Arthur Nozik領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報告說，他們研制出第一枚能夠工作的MEG太陽能電池。Nozik表示，制造這種裝置的關(guān)鍵就是想出一個化學(xué)合成的方法，隨后再對量子點進行處理。在合成時，這些量子點——由直徑約5納米的鉛和硒微粒構(gòu)成——與長有機分子結(jié)合在一起。然而之前的研究表明，這些長有機鏈就像是包裹在電線周圍的塑料絕緣體。

因此Nozik的研究小組用兩種無色液體——聯(lián)氨和1,2-乙二硫醇——處理了他們的量子點，從而使其被短鏈有機物所包圍。這樣使得電荷更容易移動，并最終使太陽能電池將光變?yōu)殡姷目傂蔬_到5%。研究小組在最新一期出版的《科學(xué)》雜志上報告了這一研究成果。盡管這一效率依然低于傳統(tǒng)的硅太陽能電池——約為20%，但重要的是，這種裝置采集的電荷數(shù)比擊打量子點的光子數(shù)多了30%，從而使其成為真正意義上的MEG太陽能電池。

Parkinson表示：“他們將它變成了一種真正的裝置，并證明其能夠采集真正的能量……從而為下一代太陽能電池的設(shè)計帶來了希望。”