大多数光伏太阳能电池具有固有的效率上限，限制了它们从太阳中提取的有用能量。但科学家正在寻找解决这一障碍的方法，通过新的研究可以使太阳能更有效，更具成本效益。
在科罗拉多州戈尔登市的国家可再生能源实验室（NREL），研究人员正在研究如何让一个单位的光源一次推动多个电子。与此同时，麻省理工学院的一个团队正致力于为太阳能电池提供合适的光源，以确保其能量不会浪费。
“太阳能转换的一个主要局限是这些高能光子没有被有效地转换。你会失去大量的能量来加热，”NREL的资深科学家Matthew Beard说。他上周在“ 科学”杂志上合着了一篇论文，证明了一种在量子水平上使用称为多激子产生（MEG）的过程达到效率达到114％的设备。
“它在某些方面与传统太阳能电池的运行方式相同，”比尔德说。“它不使用块状晶体，而是使用量子点。” 大多数太阳能电池由两层晶体夹层组成：一层略带负电，另一层略带正电。负晶体具有额外的电子，当具有足够能量的光子撞击材料时，它会在正侧移动电子，增加其能量并留下“空洞”。电子 - 空穴配对称为激子。
MEG是“第三代”太阳能技术的先锋技术之一。利用这些进步，太阳能电池板可以比市场上的现有装置更薄，更轻，更便宜，更灵活并且基本上更有效。因此，太阳能将更具成本效益，并将在世界能源组合中占据更大份额。
但首先这些面板必须绕过Shockley-Quiessler极限，这是当代光伏系统的祸根。
节省浪费的太阳能
“SQ”限制描述了使用具有单个半导体结的传统单层设计的太阳能电池的最大效率。对于大多数常见的太阳能电池材料，理想条件下的效率限制约为32％。这意味着，如果您考虑到反射，布线和安装硬件造成的损失，太阳能电池板上至少有三分之二的能量会被浪费掉。如果向单元添加层，效率会提高，但这会大大提高设备的价格和复杂性。目前，多结太阳能电池主要限于卫星，其中对效率，低重量和小空间的需求胜过成本问题。
现在，科学家正在调整纳米尺度的太阳能电池材料，以便在不增加价格或复杂性的情况下挤出更好的性能，通过SQ限制找到漏洞。
在目前的光伏电池中，阳光会驱逐电子，产生移动电荷，通过电路进入负晶体，然后回到正极，在那里填充孔。如果光子没有足够的能量，电子保持不变。如果光子具有太多能量，则电荷仅使用其所需的能量流动，并且其余部分使装置升温。
Beard的团队找到了一种利用量子点制作多个孔的方法 - 量子点 - 尺寸在2到10纳米之间的微小半导体材料块。它们的小尺寸允许它们包含电荷并且更有效地将光转换成电。在这种情况下，点由铅和硒制成。当具有移动电子所需能量的至少两倍的光子撞击硒化铅量子点时，它可以激发两个或更多个电子而不是让额外的能量浪费，产生比传统太阳能电池更多的电流。
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“这里的整体设备效率约为4％。我们需要[设备]大约10％到15％才能吸引大量的商业关注，”比尔德说。他预计，随着进一步发展，MEG太阳能电池的运行效率可达44％。
SQ限制的另一种方法是通过单线态裂变。同样是NREL资深科学家的贾斯汀约翰逊说，这个过程类似于MEG，不过它使用的是有机分子 - 由碳而不是半导体制成的化合物。“如果你设计你的分子，而不是冷却到较低的状态，你产生两个电子 - 空穴对，你不会失去尽可能多的能量，如果让分子放松并释放能量，热，“约翰逊说。
约翰逊在科罗拉多州科罗拉多大学的NREL和Josef Michl与Arthur Nozik合作，在一种称为1,3-二苯基异苯并呋喃的化合物中展示了单线裂变。当光子撞击该物质的分子时，其电子进入更高能量的激发态。当它放松时，它可以将能量转移到附近的分子上。在去年发表在“ 美国化学学会杂志”上的一项研究中，研究小组观察到这些分裂能量状态的产率为200％。在实际设备中，约翰逊预计效率上限为46％。
保持简单
单线态裂变太阳能电池也比更常见的硅基太阳能电池更具成本效益。“有机材料的优点是几乎所有的有机化合物都可以廉价地大规模生产，”约翰逊说。“主要的限制是如何优化材料以使它们有效地产生电力。一旦我们理解了这些设计原则，我们就能像太阳能电池一样制造分子。”
虽然这两个过程都可以规避SQ限制，但它们仍然需要高能量光，这只占太阳光谱的一小部分。在麻省理工学院，研究科学家Peter Bermel正在寻找一种解决方案，使用可吸收太阳热量并发光的材料。“选择性发射体辐射高能光子，而不是低能光子，”Bermel说。“你将光谱压缩到一个非常窄的波长范围内。”
吸收剂由超材料制成，这种物质经过精心设计，具有自然界中没有的特性。它像大多数其他化合物一样在阳光下加热，但它不会将热量散发到周围环境中。这使它能够集中热能并变得非常热。吸收器将其能量传递给发射器，发射器然后耦合到光伏板，在那里发电。在10月份发表在Nanoscale Research Letters上的一篇论文中，Bermel计算出这样的设备可以以37％的效率运行。
科学家们承认，这项研究在到达你附近的屋顶之前仍然需要工作。“我们需要进一步改进初级转换过程，”MEG的Beard说，指的是光是如何转换成激子的。此外，“我们需要研究其他量子点材料而不是硒化铅，因为铅是有毒的，”他说。
约翰逊指出，另一个问题是保持设备简单。这将使新太阳能电池易于制造并降低成本，使其更有可能获得广泛认可。Bermel同意并补充说，他希望“探索非常简单但在某种意义上与现有设计不同的设计。我们不仅仅是尝试进行非常渐进的改进，而是试图开发新的概念。”
