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螺旋状电子促进太阳能电池领域的发展

2020-01-02

      罗格斯大学(Rutgers)和其他物理学家发现了一种奇特的电子形式,它能像行星一样旋转,并可能在照明、太阳能电池、激光和电子显示器等领域取得进展。根据发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究,它被称为“手性表面激子”,由粒子和反粒子结合在一起,在固体表面相互旋转而成。当强光照射在固体上,将带负电荷的电子从其位置击出并留下带正电荷的“空穴”时,就会形成激子。电子和空穴类似于快速旋转的顶部,电子最终会朝空穴“螺旋”前进,在不到一万亿分之一秒内相互湮灭,同时发出一种被称为“光致发光”的光。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置,以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴一电子对。在p-n结电场的作用下,接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表为a-)两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。



1:手性指的是像你的右手和左手一样匹配但不对称且不能叠加在镜像上的实体。根据该研究的第一作者,物理学教授 Girsh Blumberg在罗格斯大学新布伦瑞克分校的罗格斯激光光谱学实验室的研究生Hsiang-Hsi (Sean)的说法,激子是在强光照射在固体上时形成的,将带负电荷的电子踢出其所在的位置,并留下带正电荷的“空穴”。

2:按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机薄膜形,而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形一(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SiXCel-X:H等)、ⅢV族(CaAs,InP等)、ⅡⅥ族(CdS系)和磷化锌(Zn3P2)等。

3:电子和空穴就像快速旋转的陀螺。电子最终会“螺旋”地向空穴移动,在不到一万亿分之一秒的时间内相互湮灭,同时发出一种叫做“光致发光”的光。这一发现在太阳能电池、激光、电视和其他显示器等设备上都有应用。科学家们在一种被称为硒化铋的晶体表面发现了手性激子,这种晶体可以在室温下大量生产,并用于涂料和其他电子材料中。



3:资深作者兼艺术与科学学院(School of Arts and Sciences)物理与天文系教授Blumberg说:“硒化铋是一种令人着迷的化合物,它属于一种叫做‘拓扑绝缘体’的量子材料家族,它们的表面有几个通道,在导电方面非常高效。”

手性激子的动力学尚不清楚,科学家们希望利用超快成像技术进一步研究它们。在其他材料上也可以发现手性表面激子。

4:有机永利澳门网站电池活性层材料包括给体材料和受体材料,其中给体材料有低聚噻吩类、三苯胺类、苯并二噻吩类和吡咯并吡咯二酮类等;而受体材料分富勒烯及衍生物材料类和非富勒烯小分子受体材料类。有机太阳能电池活性层材料正快速发展且具有巨大潜力。

5:一年中太阳辐射到地球表面的能量相当于人类现有各种能源在同期内所提供能量的上万倍。与石油、煤、天然气等能源的价格随着供应量和储量的变化而波动不同,伴随着技术的不断进步,人类利用太阳能的成本会逐年下降。对于可再生能源的开发利用日益受到人们的重视,太阳能由于兼具清洁、安全、能量巨大、分布广泛、长久不衰等特点,逐渐成为未来能源的主要供应形式之一。




6:电力是增长最快的终端能源形式,引领全球能源转型。总体而言,到2040年,为应对电力需求的增加,以及替代现有退役装机容量,需要新增7200GW的装机量。国际能源组织(IEA)预测,未来对于可再生能源利用的强劲增长,将会使可再生能源发电量占全球发电量的比例提高到1/3。光伏发电是指利用太阳能电池直接将太阳光能转换为电能的过程,是可再生能源发电中的重要组成部分。目前,它正在快速成长并成为常规化石能源及其他能源利用形式越来越重要的替代品。

7:光伏发电规模的扩大和持续发展有赖于光伏材料的不断革新和技术的不断进步。太阳能电池的发展可以追溯到1839年,法国的Becquerel最早发现了液体电解液中的光电效应;然而直到1883年才由美国的Fritts使用硒制备了第一个太阳能电池;之后又经过半个世纪的发展,1930年,Schottky提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论;同年,Longer首次提出可以利用“光伏效应”制造“太阳能电池”,使太阳能变成电能。


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