傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的效率可大幅度提高，一項(xiàng)新的研究探討了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換機(jī)制，項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)是得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)化學(xué)家朱曉陽(yáng)(Xiaoyang Zhu)。朱曉陽(yáng)和他的研究小組發(fā)現(xiàn)，有可能使每一個(gè)陽(yáng)光光子產(chǎn)生的電子數(shù)量增加一倍，只需使用一種有機(jī)塑料半導(dǎo)體材料。

“塑料半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)具有很大的優(yōu)勢(shì)，其中之一就是成本低，”化學(xué)教授朱曉陽(yáng)說(shuō)。“結(jié)合潛力巨大的分子設(shè)計(jì)和合成，我們的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了一扇大門(mén)，可以帶來(lái)一種令人興奮的新方法，進(jìn)行太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生高得多的效率。”

朱曉陽(yáng)和他的小組發(fā)表了他們的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，就在12月16日的《科學(xué)》上，題為《觀(guān)察多激子狀態(tài)在單線(xiàn)態(tài)裂變中確保超快多電子轉(zhuǎn)移》(Observing the Multiexciton State in Singlet Fission and Ensuing Ultrafast Multielectron Transfer)

今天使用的硅太陽(yáng)能電池，最大理論效率大約為31%，因?yàn)檎丈涞诫姵厣系拇蟛糠痔?yáng)能量都太高，難以轉(zhuǎn)化為可用的電力。這種能量在形式上是“熱電子”，會(huì)散發(fā)為熱量。捕獲熱電子有可能提高效率，使太陽(yáng)能到電力的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到66%。

朱曉陽(yáng)和他的研究小組先前曾表明，可以捕獲這些熱電子，只需要使用半導(dǎo)體納米晶體。他們?cè)?010年的《科學(xué)》上發(fā)表了那項(xiàng)研究，但朱曉陽(yáng)說(shuō)，靠那項(xiàng)研究，要實(shí)際實(shí)施一項(xiàng)可行的技術(shù)，還面臨很多挑戰(zhàn)。

“一件事情是，”朱曉陽(yáng)說(shuō)，“要達(dá)到66%的效率，只有使用高度集中的陽(yáng)光，不能只用原始自然陽(yáng)光，就是通常照射到太陽(yáng)能電池板上的陽(yáng)光。這就會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，因?yàn)橐紤]設(shè)計(jì)一種新材料或設(shè)備。”

為了規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，朱曉陽(yáng)和他的小組已經(jīng)找到一種替代方法。他們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑暗的量子“陰影狀態(tài)”，隨后，可以從中有效地捕捉到兩個(gè)電子，以產(chǎn)生更多的能量，這要采用半導(dǎo)體并五苯(pentacene)。

朱曉陽(yáng)說(shuō)，利用這種機(jī)制，可以把太陽(yáng)能電池效率提高到44%，不需要聚集太陽(yáng)光束，這會(huì)促進(jìn)更廣泛地使用太陽(yáng)能技術(shù)。

這一研究小組牽頭的是陳煒倫(Wai-lun Chan)，他是朱曉陽(yáng)小組的博士后研究員，協(xié)助人員還有博士后研究員曼努埃爾 里格斯(Manuel Ligges)，阿斯卡特 金勞柏克夫(Askat Jailaubekov)，羅蘭 凱克(Loren Kaake)和路易斯 馬佳 阿維拉(Luis Miaja-Avila)幫助。這項(xiàng)研究的支持來(lái)自國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和能源部。