前沿科技之光伏电池外部效率首次超过100%

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美国国家可再生能源实验室（NREL：National Renewable Energy Laboratory）研究人员报道，他们的首款太阳能电池可产生一种光电流，外部量子效率大于100％，因为产生光子激发的光子来自高能段太阳光谱。
光电流外部量子效率通常以百分比表示，是指每秒流过太阳能电池外部电路的电子数量，除以每秒进入太阳能电池的光子数量，这些光子具有特定的能级或波长。迄今为止，没有一种太阳能电池的外部光电量子效率，在任何波长的太阳光谱上都可达到100％以上。
0 y" Z9 g; R* Y外部量子效率达到了高峰值114％。新报道的工作标志着可喜的一步，可开发下一代太阳能电池，既可用于太阳能发电，也可用于太阳能燃料，都具有竞争力，或者成本更低，胜过化石燃料或核能燃料。
多激子生成（MEG：Multiple Exciton Generation）是成功的关键。有一篇论文介绍这一突破，发表在12月16日一期的《科学》杂志上。题为《峰值外部光电量子效率超过100％源自多激子生成采用量子点太阳能电池》（Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100 percent via MEG in a Quantum Dot Solar Cell）。
8 [5 R. z- G: Z# X; @/ n这里的机制是，使量子效率超过100％，需要用太阳光子，依靠的一种工艺称为多激子生成，就是吸收单个适当的高能光子，可以产生一个以上的电子-空穴对（electron-hole pair），每吸收一个光子都是这样。
. ?8 ~0 W* U  N, V  T2001年，国家再生能源实验室的科学家阿瑟J. •诺基科（Arthur J. Nozik）第一次预测，多激子生成采用半导体量子点会更有效，胜过采用块状半导体。量子点是微小晶体半导体，尺寸范围是1-20纳米，1纳米等于一米的十亿分之一。在这样小的尺度，半导体表现出一些强烈的效应效果，都是因为量子物理学，这些效应比如：
迅速增加带隙（bandgap）并缩小量子点尺寸；
. }! y3 E: E# l5 [& _7 I8 n. y室温下形成相关电子-空穴对（称为激子）；
增强耦合电子粒子（电子和正空穴），这需要库仑力（Coulombic forces）；
  z5 Q- Z" K/ a6 u: I) u( o' d9 ]促进多激子生成过程；
+ J; s/ ~6 ?5 |7 n' n: ~3 y量子点约束电荷，获取多余能量；
量子点把电荷载体限制在它们微小的体积内，可以获取多余的能量，否则这些热量会散发为热，因此，这样就可以大大增加效率，把光子转换成可用能量。
研究人员达到了114％的外部量子效率，他们采用一种分层电池，这种电池中包含抗反射镀膜玻璃，一层薄薄的透明导体，一层纳米结构的氧化锌（zinc oxide），一层硒化铅（lead selenide）量子点，这一层经过乙二硫醇（ethanedithol）和肼（hydrazine）的处理，还有一薄层黄金，用于上电极。
) d1 d( x3 n( n+ V8 E4 v  P这项新的研究结果报道的多激子生成，首次表现出100％以上的外部光电流量子生成率，测量采用了量子点太阳能电池，是在弱光下进行；这些电池表现出显著的能量转换效率，产生的总功率除以输入功率，高达4.5％，这是采用了模拟太阳光。虽然这些太阳能电池未经优化，表现出相对较低的能量转换效率，都是采用光电流和光电压，但是，演示的多激子生成，在太阳能电池光电流中具有重要意义，因为它开辟了一些新的未经开发的方法，可以提高太阳能电池效率。
这项新成果另一个重要的方面是，它们符合以前采用时间分辨光谱测量的多激子生成，从而验证了这些早期的多激子生成研究。出现完美相符，是因为外部量子效率纠正了光子数，这些光子确实被吸入电池光敏区。在这种情况下，确定的量子产量就被称为内部量子效率。内部量子效率大于外部量子效率，这是因为，入射光子中很大一部分散失了，有些被反射，有些被吸入电池中非光电流生成区。内部量子效率峰值达到了130％，出现这种情况，是因为考虑了这些反射和吸收的损失。

hilldong

这个太高科技了，“外部效率首次超过100% ”这句话就够我捉摸半天了。