光能倍增技术让太阳能电池突破性能上限
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2026-03-30 20:33:04
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科技日报讯 (记者张佳欣)地球能接收到巨大的太阳能量,但现有太阳能电池只能捕获其中一小部分,能量转换效率长期受限。日本九州大学与德国约翰内斯·古腾堡大学科研团队合作,开发出一种基于钼的金属复合物,即“自旋翻转发射体”,并通过单重态裂变(SF)实现了光能倍增,使量子产率达到约130%,突破了传统100%的上限。相关论文发表在最新一期《美国化学会期刊》上,为开发高性能太阳能电池带来了新可能。

太阳能电池发电的过程,就像一场微观接力赛。阳光中的光子撞击半导体,将能量传递给电子,使其被激发并产生电流。通常,一个光子在半导体中最多只能激发一个电子形成一个激子,而光子的能力参差不齐。低能量的红外光子无法激发电子,高能量的光子如蓝光,其多余能量则以热的形式浪费掉。因此,太阳能电池通常只能利用约1/3的阳光。这一上限被称为“肖克利—奎瑟极限”,长期困扰着科学家。

通过SF过程,高能单重态激子可被分裂为两个低能三重态激子,理论上将能量翻倍。然而,在实际应用中,倍增产生的激子很容易通过一种称为“F?rster共振能量转移”(FRET)的机制被耗散。为解决这一难题,研究人员将SF材料与钼基自旋翻转复合物结合,通过精确调控能级,实现对倍增激子的选择性捕获,从而抑制能量损失。

这项技术使他们首次在实验室条件下实现了超过100%的量子产率。团队在溶液中将四苯并蒽材料与钼基复合物配对,量子产率达到约130%,即每吸收一个光子,约1.3个钼基复合物被激发,显示出能量收集能力超越传统上限。

目前,该研究仍处于概念验证阶段。团队计划在固体中整合两类材料,实现更高效的能量传递,并最终应用于实际太阳能电池。此外,这一技术策略也有望推动发光二极管和下一代量子器件的发展,为光能高效利用和可再生能源技术开辟新思路。

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