從太陽能電池中產生更多的電能, 並對所謂的單線態裂變進行進一步的研究. 這是弗裡德裡希-亞曆山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學(FAU)的科學家們目前正在進行的一項聯合研究項目的一部分, 該項目是與美國西北大學埃文斯頓分校的阿爾貢-西北太陽能研究中心(ANSER)合作進行的. 單線態裂變可以大大提高太陽能電池的效率——多虧了最新的研究, 它離成為可能又近了一步. 這些發現發表在科學雜誌《化學》上.
全球能源消費迅速增長, 而且這種上升趨勢將在未來幾年繼續下去. 為了在保護環境的同時滿足需求, 太陽能, 風能, 水能和生物能等可再生能源正變得越來越重要. 然而, 在德國2017年的總發電量中, 只有大約6%來自於光伏系統, 而我們現有的基於矽的技術正迅速達到潛力的極限.
基於矽的光伏技術正迅速達到潛力的極限(圖片來自以網路)
利用太陽能電池發電
太陽能電池在將太陽能轉化為電能方面效率極低. 他們目前的效率只有20%到25%. 人們呼籲採用新方法來顯著提高太陽能電池的性能併產生更多的電能. 答案可能在物理化學過程中發現, 這將大大提高太陽能電池的效率. FAU和ANSER中心的科學家們一直在探索一種很有前途的方法, 這是他們在新興領域計劃(EFI)的聯合研究項目的一部分. 研究人員研究了所謂的單線態裂變(SF)機制, 即一個光子激發兩個電子.
對單線態裂變有更好的了解
單線裂變的原理大約在五十年前就被發現了, 但其顯著提高有機太陽能電池效率的潛力僅在十年前才被美國科學家認可. 從那時起, 全球的研究人員一直致力於更深入地了解其背後的基本過程和複雜機制. 來自ANSER中心的Michael Wasielewski教授, 來自FAU的研究人員 - 物理化學主席Dirk Guldi教授, 有機化學主席Rik Tykwinski教授(阿爾伯塔大學, 加拿大), 理論固體物理學教授Michael Thoss博士(Albert-Ludwigs-Universität Freiburg)和計算機化學中心(CCC)的Tim Clark教授現在設法澄清一些關於單線態裂變(SF)非常重要的方面.
對過程的詳細了解
當來自陽光的光子遇到並被分子吸收時, 分子中的一個電子的能級就會增加. 通過吸收光子, 有機分子因此轉變為高能量狀態. 然後, 太陽能電池就可以利用這種暫時儲存在分子中的能量產生電能. 傳統太陽能電池的最佳方案是每個光子產生一個電子作為電能的載體. 然而, 如果使用選定化合物的二聚體, 來自鄰近分子的兩個電子可以轉換成更高能量的狀態. 總的來說, 一個光子會產生兩個受激發的電子, 而這兩個電子又可以用來產生電流. 這個過程被稱為單線態裂變(SF), 這在理想的情況下可以大大提高太陽能電池的性能. FAU和ANSER中心的化學家和物理學家更詳細地研究了潛在的機理, 從而對SF過程有了更廣泛的了解.
單線態裂變 (SF) 是將一個單重激發態轉換為兩個三重態的過程. 三個重要發現
作為研究的第一步, 科學家們從兩個戊烯單元中生產了一個分子二聚體. 這種碳氫化合物被認為是在太陽能電池中使用單線態裂變的一種很有前途的選擇. 然後他們將液體暴露在光下, 並使用各種光譜方法來研究分子內的光物理過程.
這讓研究人員對分子內單線態裂變的機理有了三個深遠的認識. 首先, 他們成功地證明了耦合到更高的電荷轉移狀態對於高效的SF是必不可少的. 其次, 他們驗證了他們最近建立並發表的單態裂變模型(doi:10.1038/ncomms15171). 第三也是最後一項, 他們證明了SF效率明顯與兩個戊烯亞基的耦合強度相關.
研究人員的發現表明了仔細規劃SF材料設計的重要性. 這是利用基於SF的光伏系統發電的一個重要裡程碑. 然而, 要達到或接近實際應用, 仍然需要進一步的基礎研究.
