二硫化钼原子层助力太阳能电池涂料高效发展

堪萨斯大学物理学与天文学教授Wai-Lun Chan和Hui Zhao领导的研究小组发现,有机半导体与二维半导体二硫化钼单原子层结合时可以有效产生自由电子,这将进一步推动太阳能电池涂料更高效、稳定、规模化的发展。

太阳能电池

太阳能电池是对光有响应并能将光能转换成电力的光电半导体薄片,太阳能板是多个太阳能电池片的组装件,是太阳能发电系统中的核心部分,但其制造过程较为繁杂,需经过熔炉拉棒、芯片切片、酸性溶液、高温等一系列工艺来实现。随着人们对太阳能电池的不断研究探讨,太阳能价格在过去40年降幅高达99%,但科学家们并不止步于此,美国堪萨斯大学物理学与天文学副教授Wai-Lun Chan表示,若太阳能涂料研发成功,就不需要用昂贵的设备制造太阳能电池,进一步降低太阳能技术成本。

过去20年中,已经开发出一种由分子或聚合物支撑的有机半导体材料,但由于空穴(电洞)且不能自由移动,而造成性能缺陷,限制其广泛使用。2017年澳洲墨尔本皇家理工大学称太阳能涂料是5年内不可能上市的产品。

一般晶体硅太阳能是种多层结构,由上下电极与P型、N型半导体等构成,当半导体吸收阳光时,PN结会产生电子电洞对,带正电的电洞与带负电的电子会分别向P型半导体与N型半导体移动,进而产生电流与电压。

而在有机太阳能设计中,主动层是把电子施体与电子受体两种有机材料均匀混合而成,电极与半导体也都会溶解成液体状态,需要先进行分层才能接线发电,除此之外,有机材料内部的电子也不会移动,因此许多电子缺少配对物“电洞”。

堪萨斯大学研究团队发现,二维半导体二硫化钼的原子层可产生多个自由电子,这些电子不会受缺少电洞影响,能在外电场的作用下发生定向运动,进而产生电流。根据团队发布在《美国化学学会杂志》上的研究,目前已经研发出能用印刷制造、甚至变成特殊涂料的太阳能电池,除此之外,材料不仅便宜,还容易制造。Chan指出,未来科学家或许能用这概念,制造出能用来画画的太阳能技术。

不过现在有机太阳能涂料还有许多进步空间,目前团队尚未公布转换效率或是相关原型,其他实验室最高转换效率也仅15%,更存在着耐用性、稳定性等问题,但若太阳能染料研发有成,原先就具有轻薄、低成本、易回收的有机太阳能,将再添新战力。

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