具有量子移位的太阳能电池

一个更加快捷，提取太阳能电池，采用量子力学过程目前已由RIKEN研究人员证明了减少浪费的方法。

图1：由于量子极化效应，有机电荷转移络合物可以产生无耗散的太阳能。（图片：RIKEN应急物质科学中心）

当太阳光撞击一个典型的太阳能电池板时，它会产生成对的电子和带正电的空穴。通常，电场是用来分离这些电荷并产生电能的，但是这种方法要求具有高迁移率和寿命的电荷，这就使得开发新的光伏材料变得困难。

从太阳能电池中提取电流的另一种方法是利用构成晶体的重复结构单元的对称性。某些半导体缺乏“反转”对称性，这意味着如果它们的原子在重复单元的中心翻转，就会产生不同的原子排列。

对于这种半导体，电荷引起的激发态跃迁变得不平衡，从而沿特定的晶体方向产生一个“移动电流”。这种漂移电流传播迅速，并且比用电场产生的电流损耗小。但实际应用中，移流通常产生的光伏发电不足。

现在，Masao Nakamura从RIKEN应急物质科学中心的同事已经利用铁电有机分子自发地分开他们的正电荷和负电荷克服这个缺点。由于铁电材料自然破坏反转对称性，所以它们具有很大的位移电流，特别是当电荷分离时，由于晶体中共价键的量子力学差异。

该小组研究了具有强量子极化的有机铁电体，以探索其移位电流能力。由交替叠置的四硫富瓦烯（TTF）和四氯苯醌（CA）芳香环（图1），这种复杂的经历瞬时电荷分离当冷却到大约200摄氏度，阳光特别敏感。

由于量子极化效应，有机电荷转移络合物可以产生无耗散的太阳能。

“最需要光铁电材料在紫外区域的能量激发运营商在一个大的带隙，”Nakamura说。“TTF–Ca、带隙窄，对可见光和红外光，这对于应用太阳能电池是非常重要的。”

当研究人员测量了有机物复合体的光电特性时，他们所产生的移动电流的数量比类似氧化物铁电体高出近十倍。基于量子的电荷转移极大地提高了太阳能的输出功率，并允许电流在消散前达到200微米。

因为位移电流的影响在TTF–CA是相当大的，Nakamura希望它能够作为一个平台，在新一代设备实现光电转换。他说：“我们将研究其他铁电体以尝试室温操作。”。“我们认为我们可以通过采用薄膜器件结构来提高提取效率。”