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通向高效太阳能电池的里程碑:单线态裂变

2019-04-08 15:35:10来源:

从太阳能电池产生更多电力,并进一步研究所谓的单线裂变。这就是Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg(FAU)的科学家目前正在与美国埃文斯顿西北大学阿贡 - 西北太阳能研究中心(ANSER)合作开展的联合研究项目的一部分。单线态裂变可以大大提高太阳能电池的效率 - 并且由于最新的研究,它更接近成为可能。该研究结果已发表在科学期刊Chem。

全球能源消耗飙升,未来几年上升趋势将持续。为了在保护环境的同时满足需求,来自可再生能源太阳能,风能,水能和生物质能的电力变得越来越重要。然而,2017年德国仅产生的电力总量中约有6%来自光伏系统,我们现有的技术 - 基于硅 - 正在迅速达到其潜力极限。

从太阳能电池产生更多电力

太阳能电池在将太阳能转换为电能方面效率极低。它们的效率目前仅为20%至25%。需要采用新方法来显着提高太阳能电池的性能并产生更多电力。答案可以在物理化学过程中找到,这显着提高了太阳能电池的效率。FAU和ANSER中心的科学家们正在探索一种有前景的方法,作为他们在新兴领域计划(EFI)“新型有机材料中的单重裂变 - 高效太阳能电池的方法”中的联合研究项目的一部分。研究人员研究了所谓的单线态裂变(SF)机制,其中一个光子激发两个电子。

更好地理解单线裂变

单线裂变的原理大约在五十年前被发现,但其显着提高有机太阳能电池效率的潜力仅在十年前的美国科学家才得到认可。从那时起,全球的研究人员一直致力于更深入地了解其背后的基本过程和复杂机制。来自ANSER中心的Michael Wasielewski教授,FAU的研究人员 - 物理化学I主席Dirk Guldi教授,有机化学I主席Rik Tykwinski教授(自从搬到阿尔伯塔大学,加拿大),Michael Thoss教授,理论固体物理学教授(自搬到Albert-Ludwigs-UniversitätFreiburg)和Prof. Dr.

详细了解流程

当来自太阳光的光子遇到并被分子吸收时,分子中的一个电子的能级增加。通过吸收光子,有机分子因此转变成更高能量的状态。然后可以从太阳能电池内产生电能,该能量暂时存储在分子内。传统太阳能电池的最佳方案是每个光子产生一个电子作为电力的载体。然而,如果使用来自所选化学化合物的二聚体,则来自相邻分子的两个电子可以转化为更高能量的状态。总共有一个光子产生两个激发电子,这两个电子又可以用来产生电流 - 两个由一个光子组成。这个过程称为SF,在理想情况下可以大大提高太阳能电池的性能。FAU和ANSER中心的化学家和物理学家已经更详细地研究了潜在的机制,从而对SF过程有了更广泛的了解。

三个重要发现

作为他们研究的第一步,科学家们从两个并五苯单元中产生了一种分子二聚体。该烃被认为是在太阳能电池中使用单线态裂变的有希望的候选物。然后,他们将液体曝光,并使用各种光谱方法研究分子内的光物理过程。

这为研究人员提供了三种深入见解分子内单线态裂变背后机制的见解。首先,他们成功地证明了耦合到更高的电荷转移状态对于高效SF是必不可少的。其次,他们验证了他们最近创建和发布的单线裂变模型(doi:10.1038 / ncomms15171)。第三(也就是最后),他们证明SF效率明显与两个并五苯亚单元的耦合强度相关。

研究人员的研究结果表明了仔细规划SF材料设计的重要性。这是使用基于SF的光伏系统发电的重要里程碑。但是,仍然需要进一步的基础研究。