有機塑膠半導體材料可望提升太陽能電池轉換效率

新聞來源: 電子工程專輯 (2011.12.28)

美國德州大學奧斯汀分校(The University of Texas at Austin)的化學教授Xiaoyang Zhu最近發表一項研究成果，可將太陽能電池的轉換效率提升一倍。Zhu的研究團隊發現，利用一種有機塑膠半導體材料五苯(pentacene)，就能從陽光的光子中收穫到兩倍數量的高能量電子。

「用塑膠半導體材料生產太陽能電池有很多優勢，成本較低是其中之一；」Zhu表示：「結合分子設計與合成的廣泛能力，我們的發現為太陽能轉換方法開闢了一條新途徑，也可望能達成更高的效率。」

目前矽晶太陽能電池理論上最高轉換效率為31%左右，這是因為大部分到達電池芯的光能量波長，無法被轉換成有效的電力。研究團隊指出，那些無法轉換成電力的能量會以熱的形式流失；若能擷取由溫度激發的熱電子能量，就可望將太陽能光電轉換效率提升到66%。

Zhu與研究團隊成員先前證實，那些熱電子能利用半導體奈米晶體(nanocrystal)來擷取，該理論曾在2010年發表於《科學(Science)》期刊；但Zhu表示，後續將該研究理論轉化為實際可行技術的過程非常艱辛，其中的主要障礙在於需要將太陽光聚焦，不像一般太陽能光電板只要收集自然環境中的光線即可。

現在Zhu的研究團隊找到了替代方案，發現在五苯半導體材料中，光子會產生一個黑暗的量子「陰影態(shadow state)」，在該處能擷取到兩個電子，產生更多的能量。光子的吸收作用會產生激發的電子-電洞對(electron-hole pair)，也就是激子(exciton)；激子會因為量子力學而與黑暗的「陰影態」耦合，成為多激子(multi-exciton)。

而多激子恰巧能成為兩個電子有效的源極(source)，將之傳送到例如富勒烯(fullerene)的電子受體材料；富勒烯是一種球狀的碳60同素異形體(allotrop)，也是上述研究中所採用的材料。研究人員表示，採用這種材料能將五苯太陽能電池的轉換效率提升到44%，而且不需要將太陽光束聚焦。