研究人員利用分子組合來(lái)解決各種問(wèn)題，從而提高了電池效率。美國(guó)西北大學(xué)的研究人員通過(guò)一項(xiàng)新開發(fā)再次提升了過(guò)氧化物太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)，幫助這項(xiàng)新興技術(shù)創(chuàng)下了新的效率紀(jì)錄。最近發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上的這一研究成果描述了一種雙分子解決方案，以克服陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量過(guò)程中的效率損失。

美國(guó)西北大學(xué)（Northwestern University）在包晶石太陽(yáng)能電池方面的最新研究創(chuàng)造了 25.1% 的新效率紀(jì)錄，該研究采用了一種新型雙分子方法來(lái)減少電子重組。這一研究成果標(biāo)志著我們朝著使包晶石太陽(yáng)能電池成為傳統(tǒng)硅基電池更高效、更穩(wěn)定的替代品邁出了重要一步。

圖片:7eb109b500584016a144a93b1bd95561~noop.jpg

通過(guò)首先加入一種分子來(lái)解決所謂的表面重組（電子被缺陷（表面上缺失的原子）困住時(shí)會(huì)丟失），然后再加入另一種分子來(lái)破壞層間界面的重組，該團(tuán)隊(duì)的效率達(dá)到了美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)證的 25.1%，而之前的方法效率僅為 24.09%。

西北大學(xué)教授泰德-薩金特（Ted Sargent）說(shuō)："包晶太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展迅速，研發(fā)重點(diǎn)正從塊狀吸收體轉(zhuǎn)向界面。這是進(jìn)一步提高效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵點(diǎn)，使我們更接近這條通往更高效太陽(yáng)能收集的充滿希望的道路"。

薩金特是 Paula M. Trienens 可持續(xù)發(fā)展與能源研究所（前身為 ISEN）的聯(lián)合執(zhí)行主任，也是材料化學(xué)和能源系統(tǒng)方面的多學(xué)科研究人員，在溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)系和麥考密克工程學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程系任職。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池由高純度硅晶片制成，生產(chǎn)過(guò)程耗能巨大，而且只能吸收固定范圍的太陽(yáng)光譜。包晶石材料的尺寸和成分可以調(diào)整，以"調(diào)節(jié)"其吸收的光波長(zhǎng)，這使其成為一種有利的、潛在的低成本、高效率的新興串聯(lián)技術(shù)。

一直以來(lái)，由于其相對(duì)不穩(wěn)定性，包晶體太陽(yáng)能電池在提高效率方面一直面臨挑戰(zhàn)。在過(guò)去的幾年里，薩金特實(shí)驗(yàn)室和其他實(shí)驗(yàn)室取得的進(jìn)展已經(jīng)使包晶石太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了與硅相同的范圍。

電子保留方面的進(jìn)展

在目前的研究中，研究小組不是試圖幫助電池吸收更多的陽(yáng)光，而是把重點(diǎn)放在維持和保留產(chǎn)生的電子以提高效率的問(wèn)題上。當(dāng)包晶石層與電池的電子傳輸層接觸時(shí)，電子會(huì)從一個(gè)層移動(dòng)到另一個(gè)層。但電子又會(huì)向外移動(dòng)，并與存在于包晶石層上的空穴進(jìn)行填充或"重組"。

第一作者、薩金特實(shí)驗(yàn)室博士后劉成說(shuō)："界面上的重組非常復(fù)雜，薩金特實(shí)驗(yàn)室由查爾斯-莫里森（Charles E. and Emma H. Morrison）化學(xué)教授梅爾庫(kù)里-卡納齊迪斯（Mercouri Kanatzidis）共同指導(dǎo)。使用一種分子來(lái)解決復(fù)雜的重組和保留電子是非常困難的，因此我們考慮了可以使用什么樣的分子組合來(lái)更全面地解決這個(gè)問(wèn)題"。

薩金特團(tuán)隊(duì)過(guò)去的研究發(fā)現(xiàn)，有證據(jù)表明一種分子 PDAI2 可以很好地解決界面重組問(wèn)題。接下來(lái)，他們需要找到一種能夠修復(fù)表面缺陷并防止電子與之重組的分子。

雙分子方法和未來(lái)工作

通過(guò)找到讓 PDAI2 與輔助分子協(xié)同工作的機(jī)制，研究小組鎖定了硫，硫可以取代碳基（通常在防止電子移動(dòng)方面表現(xiàn)不佳），覆蓋缺失的原子并抑制重組。

同一研究小組最近在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表的一篇論文，為過(guò)氧化物層下的襯底開發(fā)了一種涂層，以幫助電池在更高溫度下長(zhǎng)時(shí)間工作。劉說(shuō)，這種解決方案可以與《科學(xué)》論文中的發(fā)現(xiàn)協(xié)同工作。

研究小組希望他們的發(fā)現(xiàn)能鼓勵(lì)更多的科學(xué)界人士繼續(xù)推進(jìn)這項(xiàng)工作，同時(shí)他們也將開展后續(xù)工作。

"我們必須采用更靈活的策略來(lái)解決復(fù)雜的界面問(wèn)題，"Cheng 說(shuō)。"我們不能像以前那樣只使用一種分子。我們用兩種分子來(lái)解決兩種重組，但我們確信在界面上還有更多種類的缺陷相關(guān)重組。我們需要嘗試使用更多的分子來(lái)組合在一起，確保所有分子在不破壞彼此功能的情況下協(xié)同工作。