具有114％外部量子效率的太阳能电池

国家可再生能源实验室（NREL）的科学家报告说：“第一个太阳能电池在受到来自太阳光谱高能区的光子光激发时，产生的外部量子效率大于100％的光电流”。有希望的新闻。来自NREL的更多信息：

光电流的外部量子效率，通常以百分比表示，是太阳能电池的外部电路中每秒流动的电子数量乘以进入太阳能电池的特定能量（或波长）的每秒光子数量。 。迄今为止，没有一个太阳能电池在太阳光谱中的任何波长下都具有高于100％的外部光电流量子效率。

外部量子效率达到114％的峰值。最新报道的工作标志着朝着开发用于太阳能和太阳能的下一代太阳能电池迈出了令人鼓舞的一步，它将与化石或核燃料的能源相比，甚至成本更低。

多重激子产生是使其成为可能的关键

关于突破的论文发表在12月16日的《科学》杂志上。它由NREL科学家Octavi E. Semonin，Joseph M.Luther，Sukgeun Choi，Hsiang-Yu Chen，Gajianbo Gao和Arthur合着，题为“通过MEG在量子点太阳能电池中达到峰值外部光电流量子效率超过100％”。 J.诺齐坎德和马修·比尔（Matthew C.该研究得到了美国能源部科学办公室，基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心高级太阳光物理中心的支持。Semonin和Nozik也隶属于科罗拉多大学博尔德分校。

利用太阳光子产生高于100％的量子效率的机制基于称为多重激子产生（MEG）的过程，由此，一个具有适当高能量的吸收光子可以为每个吸收光子产生一个以上的电子-空穴对。

NREL科学家亚瑟·诺齐克（Arthur J. Nozik）在2001年的出版物中首次预测，MEG在半导体量子点中的效率将比在体半导体中更高。量子点是半导体的微小晶体，其纳米（nm）范围为1-20 nm，其中1 nm等于一米的十亿分之一。在如此小的尺寸下，由于量子物理学，半导体会表现出巨大的影响，例如：•带隙随着量子点尺寸的减小而迅速增加；•室温下相关电子-空穴对（称为激子）的形成；•电子粒子的增强耦合（电子和正空穴）通过库仑力，并增强了MEG过程。量子点限制了电荷并收集了多余的能量

通过将电荷载流子限制在很小的体积内，量子点可以收集多余的能量，否则这些能量将作为热量损失掉，从而大大提高了将光子转换为可用自由能的效率。

研究人员使用由防反射涂层玻璃制成的层状电池实现了114％的外部量子效率，该玻璃具有透明导体薄层，纳米结构的氧化锌层，经乙二醇和肼处理的硒化铅量子点层以及顶部电极的金层。

NREL科学家Mark Hanna和Arthur J. Nozik在2006年的出版物中指出，基于量子点的太阳能电池中理想的MEG可以使太阳能电池的理论热力学功率转换效率相对于当今的常规太阳能电池提高约35％。此外，量子点太阳能电池的制造也适合廉价，高产量的卷对卷制造。

这种潜在高效的电池，加上单位面积的低成本，被称为第三代（或下一代）太阳能电池。当今的商用光伏太阳能电池基于体半导体，例如硅，碲化镉或硒化铜铟镓（di）；或从元素周期表的第三列和第五列（有时在某些情况下为第四列）提取的多结点串联单元上。所有这些电池都称为第一代或第二代太阳能电池。

第一个实验表明正在运行的太阳能电池超过100％

美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的Richard Schaller和Victor Klimov于2004年首次在量子点的胶体溶液中通过实验证明了MEG（也称为载波乘法（CM））。从那以后，包括NREL团队在内的全球许多研究人员已经在许多不同的半导体量子点中证实了MEG。但是，几乎所有这些积极的MEG结果（除少数例外）都是基于超快时间分辨光谱法测量的，这些分离的量子点以液态胶体溶液的形式分散。

NREL研究小组在《科学》杂志上发表的新结果是MEG的第一份报告，其表现为在低光强度下工作的量子点太阳能电池中测得的外部光电流量子产率大于100％。这些电池在模拟阳光下显示出显着的功率转换效率（定义为输入功率产生的总功率）高达4.5％。虽然这些太阳能电池未经过优化，因此显示出相对较低的功率转换效率（这是光电流和光电压的乘积），但MEG在太阳能电池光电流中的演示却具有重要意义，因为它开辟了新的，尚未探索的方法提高太阳能电池效率。

新结果的另一个重要方面是，它们与以前的时间分辨的MEG光谱测量结果一致，因此可以验证这些较早的MEG结果。当校正外部量子效率以实际吸收在电池光敏区域中的光子数量时，可以达成极好的协议。在这种情况下，确定的量子产率称为内部量子效率。内部量子效率大于外部量子效率，因为入射光子的很大一部分由于在细胞的非光电流产生区域中的反射和吸收而损失。考虑到这些反射和吸收损失，发现内部量子产率的峰值为130％。

NREL是美国能源部可再生能源和能源效率研究与开发的主要国家实验室。NREL由美国可持续能源联盟有限责任公司（DOE）运营。

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通过百叶窗的太阳能电池图像