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微博量子力學與有機分子層助力，太陽能理論轉換效率望突破 40%
時間:10/11/2018 00:00
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矽晶太陽能除了是當今太陽光電主要技術，還是讓再生能源成本可與傳統發電廠一較高下的背後功臣，但是在大規模商業化的情況下，其光電轉換效率難以再突破，如今德國科學家提出一項解決方案，將有機分子層與太陽能電池相結合，透過量子力學理論來分裂光子能量，讓面板可加倍吸收綠、藍光，進而提升 5-10% 輸出功率，更有望製造出理論效率達 40% 的太陽能電池。
太陽能電池結構基本上由 P 型與 N 型半導體接合而成，這種結構稱為 PN 接面。當電池吸收陽光時，PN 接面會產生電子電洞對（electron-hole pair），在內建電場的作用下，受到刺激的電子和失去電子的電洞會朝相反方向移動，進而產生電流與電壓。
簡單來說，太陽光電的發電原理就是利用太陽電池吸收一定波長的太陽光，再將光能直接轉變成電能。只不過由於矽晶物理材料特性，矽晶太陽能電池光轉換效率理論極限僅達 29.3%，且市面上轉換效率也已達 20%~22%，發展空間相當有限。
對此德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心（HZB）研究員 Klaus Lips 教授提出全新的解決方案，希望可透過有機晶體的單重態激子分裂（singlet exciton fission），讓激子在吸收到光子之後從一分裂成二、進而產生多個三重態激子（triplet exciton），使高能量光子可產生兩對電荷載子。
不過要具現化假設也不是容易的事情，這項機制不僅與量子力學相關，該技術主要挑戰更在於如何讓三重態激子在矽 PN 接面分裂，若能成功解決該難題，將有助於提高太陽能電池的電流量。
HZB 研究員首先透過光譜研究在有機物並四苯（tetracene）檢測出單重態激子裂變的特徵──發現並四苯含有三重態激子，因此他們將 100nm 厚的並四苯晶體層整合到矽太陽能電池表面，Lips 教授表示，該挑戰在於如何在矽接面將三重態激子分裂，若把導電性較差的有機層與矽層相接，這可能會使電池流量下降。
為此團隊進一步在並四苯層上方添加電導聚合物 PEDOT：PSS，有效在接面分裂三重態激子，成功打造出並四苯-矽太陽能電池。實驗也指出，並四苯可吸收光藍綠光波長，能量較低的光子則可被矽層吸收。研究員則估計，並四苯層中的三重態激子可提升電池輸出功率 5%~10%，更有望製造出量子效率高達 200% 的矽太陽能電池，其理論光電理論效率甚至高達 40%。
Lips 指出，團隊已透過新型太陽能結構證明該方式有效，也知道如何將三重態激子生成效率提升 200%。有鑑於研究初步有成、更成功找出不會妨礙電池性能的有機層，團隊將繼續進行後續實驗，目前研究已發表在《Materials Horizon》。
文章摘自：https://technews.tw/2018/10/11/boosting-the-efficiency-of-silicon-solar-cells/
作者 EnergyTrend
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