從太陽能電池中產(chǎn)生更多的電能，并對(duì)所謂的單線態(tài)裂變進(jìn)行進(jìn)一步的研究。這是弗里德里希-亞歷山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)(FAU)的科學(xué)家們目前正在進(jìn)行的一項(xiàng)聯(lián)合研究項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目是與美國西北大學(xué)埃文斯頓分校的阿爾貢-西北太陽能研究中心(ANSER)合作進(jìn)行的。單線態(tài)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(fā)現(xiàn)發(fā)表在科學(xué)雜志《化學(xué)》上。

全球能源消費(fèi)迅速增長，而且這種上升趨勢(shì)將在未來幾年繼續(xù)下去。為了在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)滿足需求，太陽能、風(fēng)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(fā)電量中，只有大約6%來自于光伏系統(tǒng)，而我們現(xiàn)有的基于硅的技術(shù)正迅速達(dá)到潛力的極限。

基于硅的光伏技術(shù)正迅速達(dá)到潛力的極限(圖片來自以網(wǎng)絡(luò))

利用太陽能電池發(fā)電

太陽能電池在將太陽能轉(zhuǎn)化為電能方面效率極低。他們目前的效率只有20%到25%。人們呼吁采用新方法來顯著提高太陽能電池的性能并產(chǎn)生更多的電能。答案可能在物理化學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，這將大大提高太陽能電池的效率。FAU和ANSER中心的科學(xué)家們一直在探索一種很有前途的方法，這是他們?cè)谛屡d領(lǐng)域計(jì)劃(EFI)的聯(lián)合研究項(xiàng)目的一部分。研究人員研究了所謂的單線態(tài)裂變(SF)機(jī)制，即一個(gè)光子激發(fā)兩個(gè)電子。

對(duì)單線態(tài)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(fā)現(xiàn)了，但其顯著提高有機(jī)太陽能電池效率的潛力僅在十年前才被美國科學(xué)家認(rèn)可。從那時(shí)起，全球的研究人員一直致力于更深入地了解其背后的基本過程和復(fù)雜機(jī)制。來自ANSER中心的MichaelWasielewski教授，來自FAU的研究人員-物理化學(xué)主席DirkGuldi教授，有機(jī)化學(xué)主席RikTykwinski教授(阿爾伯塔大學(xué)，加拿大)，理論固體物理學(xué)教授MichaelThoss博士(Albert-Ludwigs-UniversitaumltFreiburg)和計(jì)算機(jī)化學(xué)中心(CCC)的TimClark教授現(xiàn)在設(shè)法澄清一些關(guān)于單線態(tài)裂變(SF)非常重要的方面。

對(duì)過程的詳細(xì)了解

當(dāng)來自陽光的光子遇到并被分子吸收時(shí)，分子中的一個(gè)電子的能級(jí)就會(huì)增加。通過吸收光子，有機(jī)分子因此轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰繝顟B(tài)。然后，太陽能電池就可以利用這種暫時(shí)儲(chǔ)存在分子中的能量產(chǎn)生電能。傳統(tǒng)太陽能電池的最佳方案是每個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)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(gè)電子可以轉(zhuǎn)換成更高能量的狀態(tài)。總的來說，一個(gè)光子會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)受激發(fā)的電子，而這兩個(gè)電子又可以用來產(chǎn)生電流。這個(gè)過程被稱為單線態(tài)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(xué)家和物理學(xué)家更詳細(xì)地研究了潛在的機(jī)理，從而對(duì)SF過程有了更廣泛的了解。

單線態(tài)裂變（SF）是將一個(gè)單重激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)三重態(tài)的過程。

三個(gè)重要發(fā)現(xiàn)

作為研究的第一步，科學(xué)家們從兩個(gè)戊烯單元中生產(chǎn)了一個(gè)分子二聚體。這種碳?xì)浠衔锉徽J(rèn)為是在太陽能電池中使用單線態(tài)裂變的一種很有前途的選擇。然后他們將液體暴露在光下，并使用各種光譜方法來研究分子內(nèi)的光物理過程。

這讓研究人員對(duì)分子內(nèi)單線態(tài)裂變的機(jī)理有了三個(gè)深遠(yuǎn)的認(rèn)識(shí)。首先，他們成功地證明了耦合到更高的電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)對(duì)于高效的SF是必不可少的。其次，他們驗(yàn)證了他們最近創(chuàng)建并發(fā)表的單態(tài)裂變模型(doi:10.1038/ncomms15171)。第三也是最后一項(xiàng)，他們證明了SF效率明顯與兩個(gè)戊烯亞基的耦合強(qiáng)度相關(guān)。

研究人員的發(fā)現(xiàn)表明了仔細(xì)規(guī)劃SF材料設(shè)計(jì)的重要性。這是利用基于SF的光伏系統(tǒng)發(fā)電的一個(gè)重要里程碑。然而，要達(dá)到或接近實(shí)際應(yīng)用，仍然需要進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究。

（原文來自：每日科學(xué)中國新能源網(wǎng)綜合）