Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Solenergi får et løft: 'Singlet fission' kan øke solcelleffektiviteten med så mye som 30 prosent

Anonim

En perspektivartikkel publisert forrige måned av University of California, Riverside kjemikere i Journal of Physical Chemistry Letters ble valgt som et redaktørvalg - en ære bare en håndfull forskningsartikler mottar. Perspektivet vurderer kjemikernes arbeid med "singlet fission", en prosess der en enkelt foton genererer et par spennende tilstander. Denne 1- 2 konverteringsprosessen, som den er kjent, har potensial til å øke solcelleffektiviteten med så mye som 30 prosent.

annonse


Søknadene av forskningen inkluderer mer energieffektive belysning og fotodetektorer med 200 prosent effektivitet som kan brukes til nattesyn. Biologi kan bruke singlet fisjon for å håndtere solenergier med høy energi uten å generere overskuddsmengde, som en beskyttende mekanisme.

Foreløpig jobber solceller ved å absorbere en foton, noe som genererer en exciton, som senere separerer til et elektronhullspar. Det er disse elektronene som blir solenergi. Effektiviteten til disse solceller er begrenset til omtrent 32 prosent, men av det som kalles "Shockley-Queisser Limit." Fremtidige solceller, også kjent som "tredje generasjon" solceller, må overgå denne grensen mens de fortsatt er rimelige, og krever bruk av nye fysiske prosesser. Singlet fisjon er et eksempel på en slik prosess.

"Vår forskning ble lansert for omtrent ti år siden da vi begynte å tenke på solenergi og hvilke nye typer fotofysikk dette kan kreve, " sa Christopher Bardeen, en professor i kjemi, hvis laboratorium ledet forskningen. "Global oppvarming bekymringer og energisikkerhet har gjort solenergi konvertering et viktig tema fra samfunnets synspunkt. Mer effektive solceller vil føre til større bruk av denne rene energikilden."

Forskning detaljer

Når en foton absorberes, tar energien seg i form av en exciton inne i materialet. Bardeen forklarte at excitoner kommer i to "smaker", definert av elektronspinnene i dem. En smak er singlet, hvor alle spinnene er paret. Den andre smaken er triplett, hvor to elektroner er uparret. I organiske halvledere har disse to typer spenninger forskjellige energier.

"Hvis en triplet exciton har halvparten av en singlets energi, så er det mulig for en singlet exciton, generert av en foton, å splitte seg i to triplett-excitoner, " sa Bardeen. "Dermed kan du få et 200 prosent utbytte av excitoner - og forhåpentligvis elektroner - per absorbert foton."

Han forklarte at Shockley-Queisser Limit innebærer fotonabsorpsjon for å skape en exciton, som i utgangspunktet er et bundet elektron (- ladning) og hull (+ ladning) par. For å få nyttig elektronstrøm (fotokurrent), må disse excitons være dissocierte. Ideelt sett produserer en exciton en elektron (hull) og er dermed aktuell til å løpe, si en lyspære.

"For å absorbere en foton må fotonenergien være større enn halvlederens bandgap, så du savner allerede en del av solspekteret, " sa Bardeen. "Men hvis du absorberer en foton med energi som er høyere enn bandgapet, har den for mye energi, og den overskytende energien blir vanligvis bortkastet som varme. Tricket er å ta den høye energien exciton og splitte energien i to excitoner, i stedet for å spre seg det som varme. "

Bardeen forklarte at singlet exciton spontant splitter seg inn i de to triplettene, gjennom en mekanisme som fortsatt er under aktiv etterforskning.

"Den eksakte mekanismen er ukjent, men det skjer raskt - i løpet av nanosekundens tidsskala - og med høy effektivitet, " sa han. "Vårt arbeid har vist at det er svært følsomt for tilpasningen og plasseringen av de to molekylene - minst to er nødvendig, siden vi har to excitoner - involvert i singlet fisjon. Det siste arbeidet hos MIT har allerede vist en organisk fotovoltaisk celle med mer enn 100 prosent ekstern kvanteffektivitet basert på denne effekten. Det kan være mulig å integrere denne effekten med uorganiske halvledere og bruke den til å øke effektiviteten. "

Deretter vil Bardans laboratorium lete etter nye materialer som utviser singlet fisjon, finne ut hvordan man tar triplet-eksitonene og omdanne dem til fotokurrent effektivt, og se på hvordan elektronikkens rotasjonsegenskaper påvirker exciton-dynamikken.

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av University of California - Riverside . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Geoffrey B. Piland, Jonathan J. Burdett, Robert J. Dillon, Christopher J. Bardeen. Singletfission: Fra sammenhenger til kinetikk . Journal of Physical Chemistry Letters, 2014; 5 (13): 2312 DOI: 10, 1021 / jz500676c