新型太阳能电池最大效率可增至25%

        根据美国麻省理工学院（MIT）的新模型，可设计出废热更少、电流利用率更高的太阳能电池。这一新型太阳能电池将进一步提升光电转化的效率。

        当阳光照射在现有的太阳能电池上时，事实上大部分的能量并没有转换成电流，而是转换成废热流失掉了。然而，在一些材料上，更多的能源能够产生更多的电子——这将使得太阳能电池的利用率大幅提高。

        麻省理工学院的一个研究团队目前正致力于挖掘上述现象发生的机理。在这种反应机理中，通过新的设计理念，使用一些特殊材料，可提高太阳能电池的利用率。相关研究结果被发表在《自然化学》杂志上，由麻省理工学院校友肖恩·R·约斯特、李继晔，以及12位联合作者撰写。该校的化学教授特洛伊·凡·弗时以及电力工程教授马克·巴尔多领导了这一研究团队。

        对于大多数光电材料而言，光子（一组阳光）传递能源激发电池板上的分子来释放一束电流。但当高能量的光子传输能量过多时，分子还是只能释放一束电流，这就造成了热能的浪费。

        一些有机分子则不遵循这一规律，它们的每一个高能源光子能产生不止一束电流。这一现象被称为单线态激子裂变，最早被发现于上世纪60年代。然而，要在正常的太阳能电池中实现这一过程非常困难，如何实现这一目标的反应机理也成为该领域内激烈讨论的主题。

        在过去的四年中，凡·弗时教授和巴尔多教授一直致力于将他们的理论和实验发现推进到该问题的研究中。2013年，他们宣布发现了第一个能够用高能量的可见光释放出更多电流的太阳能电池，这一电池可弥补地球表面近50%的太阳电磁辐射。根据他们的计算，使用这一技术，在硅太阳能电池上加盖一层便宜的涂料，就能使电池利用率提高25个百分点

        这一结果已足以令人振奋不已，理解这一反应机制使得他们和其他人走得更远。激子裂变反应可在许多材料上实现，但就像最初始的材料一样，它们的发现都是随机的。“除非我们能理解这一反应机理，否则无法理性地通过设计材料和装置从激子裂变反应中获益——换句话说，我们必须先看到电子是的确在产生的。” 凡·弗时教授称。

        为了支撑自己对光电材料中电子作用的理论研究，凡·弗时使用了样本中收集到的实验数据。尤其是综合了贝而多、蒂莫斯·斯韦格以及麻省理工学院化学教授约翰·D·麦克阿瑟等学者的研究数据。该样本由含四种类型、被形形色色的“菠菜”激子裂变分子组成——也即可以在不改变其物理与化学属性的情况下改变分子间隙的庞大原子侧基。为了测试裂变率－由飞秒计算（10至15秒）——来自麻省理工的团队联合了其他专家，包括莱斯特·沃尔夫实验室的化学教授蒙齐·鲍文迪，同时还利用了布鲁克海文特殊设备国家实验室、剑桥大学卡文迪许实验室的特殊设备。一切都在理查德·弗兰的领导下进行。

        凡·弗时的新分子式第一规律成功预测了不同结构材料的裂变率。同时，它也断然证明了，该反应机理正符合上世纪60年代提出的经典理论：当这些材料当中有多余能量时，一个激发态分子中的电子会与之附近非激发态分子中的电子互换位置。激发态分子带来部分能量，也会遗留部分，因此两种分子都能放电。因此结果是：一个光子进入电池后，能释放两个电子。“十年前的简单理论可以解释这样的现象。” 凡·弗时说，“最近提出的这一富有争议的、或者说怪异的机理，并不需要用来解释实验过程中具体发生了什么。”

        实验结果也为利用这些材料来设计太阳能电池提供了可行方案。结果显示，分子堆积对于裂变率而言十分重要，但也就仅此一点。当分子之间非常靠近，电子运动得非常快以致于分子在释放和接受电子时没有时间来调整。事实上，另一个更重要的因素是选择合适的、具有与生俱来的能量水平的材料。

        研究者们对其实验和理论数据结果的一致性感到非常满意－－尤其考虑到这是在系统建模的前提下实现的。每个分子约含有50个原子，每个原子有6至10个的电子。“这些都是需要计算的复杂系统。” 凡·弗时称，“这就是50年前他们不能计算这些东西的原因——但现在我们做到了。”