太阳能电池的光学“泛音”

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来自慕尼黑LMU的NIM科学家已经发现了有关太阳能电池中载流子的光激发的新效应。它可以促进红外光的利用,红外光通常在太阳能装置中丢失。

半导体是当今最重要的材料,将太阳能光转换成可用的电能。国际能源机构(IEA)报告说,去年全球每天安装了一百万块太阳能电池板。然而,基于半导体的太阳能电池仍然受到相对低的能量转换效率的影响。其原因主要在于半导体有效地将光从相当小的太阳光谱部分转换成电能。可以有效转换的光窗口的光谱位置与所涉及的半导体(即,其带隙)的性质密切相关。这意味着,如果半导体被设计成吸收黄光,较长波长的光(如红色和红外光)将穿过材料而不产生电流。此外,短波长光(绿光、蓝光和紫外光)比黄光更有能量,将失去更多的能量进入热。因此,从半导体获得更高的能量转换效率仍然是一个巨大的挑战。

钙钛矿纳米晶的能量转换

为了研究这些局限性,来自Jochen Feldmann教授领导的光子学博士的Auroa Mangi测量了钙钛矿纳米晶体中多个光子吸收所产生的电荷载流子密度,这是一种新颖而有前途的光伏应用材料。

“长波长光的吸收比半导体吸收窗口低的多光子吸收通常是非常低效的。”Manzi强调,这是自然通信出版的第一作者,也是NIM研究生的一个学生。因此,我完全惊讶地发现,对于特定的激发波长,这一过程的效率大大提高。起初,这对我们没有任何意义!“

共振中的光与激子“泛音”

在激烈的讨论之后,LMU科学家团队意识到,当两个不同的基本频率的倍数相等时,这些共振发生,即初级光振荡频率和带隙频率,或者更准确地说是激子的频率。带隙。

人们可以对声学中的共鸣现象或泛音现象进行类比,这在音乐乐器中是常用的。当强烈的红光撞击纳米结构钙钛矿纳米晶体时,发生类似于弦乐弦乐中的泛音生成的过程。基本光波长产生高阶光学谐波,其频率是主光振荡的整数倍。当这种“光泛音”与激子带隙的泛音共振时,能量交换增强,导致电荷载流子的生成增加,或者更准确地说,在带隙处产生多个激子。

进一步研究的出发点

“观察到的共振类似于在吉他的两个不同琴弦中发生的物理现象”,曼齐继续说道。“如果我们将第一弦与光激励和第二弦关联到半导体激子带隙,我们从声学中知道,如果第一弦的某一谐波将匹配第二弦的另一谐波,则它们会共振。”

研究小组的负责人费尔德曼教授补充道:“在激子半导体中观察这种新的共振现象可以为太阳能电池更有效地将长波光转换成可用的电能铺平道路。”“这是一个令人振奋的新发现,可能对未来的太阳能器件产生影响。我们与研究网络“太阳能技术走向混合动力”(SoTechnologies)的同事们一起,将尝试通过使用这些泛音来开发创新的应用。

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