用神奇薄膜转换红外光,太阳能转换效率提高 25%

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用神奇薄膜转换红外光,太阳能转换效率提高 25%

市面上的硅晶太阳能板无法转换所有的光线,没办法吸收波长较长的红外光,因此最高转换效率止步 30% ,对此瑞典的皇家理工学院(KTH)带来全新的电池设计,透过在太阳能电池上方装设一层薄薄的神奇薄膜,转换效率有望提高 25%。

阳光是由不同波长的光线构成,从波长较短的紫外线、可见光到波长较长的红外线,波长越短则能量越大,波长越长则能量越小,但太阳能板无法吸收所有能量,当光能小于材料能隙时,就无法将电子推送到导带,也不能产生电力。

目前太阳能板只能吸收近红外光、可见光及紫外光,波长较长的红外光则完全无法吸收,也就是说,无法善加利用近 44% 的光线,大于能隙的光线只会转换成热,不仅浪费又会影响转换效率。

因此许多科学家都在寻求解决方案,而此次 KTH 科学家想要以最简单的方法达成最大效益,他们用参杂镧系元素等金属离子的染料与微透镜,制造出全新的奈米薄膜,可以将红外光转换成电力。

这种方法也被称为上转换奈米粒子(upconverting nanoparticles,UCNP),用金属有机分子或是半导体奈米材料吸收较长波长的两个或多个光子,再激发出较短波长的光,就好比将红外光转化为可见光。

先前美国劳伦斯柏克利国家实验室也有推出类似的方法,利用有机染料涂层吸收红外光,并透过材料重放射性能将光转换成可见光,佛罗里达州立大学也有研究含铅卤素钙钛矿,并在钙钛矿中添加碳氢化合物红萤烯(rubrene),最后成功转换红外光。

而 KTH 团队则把研制出的神奇薄膜装设在太阳能电池顶部,吸收红外光并加以调整,最后得以提高转换效率,KTH 理论化学教授 Hans Ågren 表示,微透镜可以聚集较弱的红外光,让奈米粒子转换成太阳能电池可用的可见光。

研究指出,团队已经把转换效率提高 10%,而这是在尚未进一步优化之前的数据,未来有机会提升 20% 到  25%。该技术进步空间也还很大,研究团队发现,照理来说 UCNP 的潜力更高、可以发射出更多的红外光,这代表目前还浪费许多能量,研究则已发表在《Nanoscale》。

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