美国能源部发现“同位素抑制散热法” 可提高下一代太阳能电池的效率

近期，美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)和田纳西大学诺克斯维尔分校研究发现了一种颇具前景的太阳能材料，可以通过材料中同位素的置换大大增加载流子冷却的时间，进而提升转化效率。

该材料揭示了一种减缓声子的方法，声子是一种传输热量的波。这一发现可以改进新型热载流子太阳能电池，使其比传统的太阳能电池更有效地将阳光转化为电能，在它们失去能量转化为热能之前，利用光生电荷载流子。

“我们的研究证明，可以通过改变光伏材料中氢原子的质量来控制热传输和载流子冷却的时间。”橡树岭国家实验室的研究人员Michael Manley说：“这种延长电荷载流子寿命的途径为在新型热载流子太阳能电池中实现创纪录的太阳能转换效率提供了新的策略。”

田纳西大学的Mahshid Ahmadi则指出：“调整有机分子的动力学特性可以控制对有机金属钙钛矿中导热性很重要的声子。这些半导体材料在光伏应用中很有前景。”

Manley和Ahmadi设计并管理了上述研究，并已发表在了《科学进展》(Science Advances)上。研究人员们发现了一种通过将较轻的同位素替换为有机金属钙钛矿中的较重同位素来抑制无用电荷冷却的方法。同位素是化学上相同的原子，只是由于中子数的不同而在质量上有所不同。

具体而言，当阳光照射到太阳能电池上时，光子会在吸收材料中产生电荷载流子(电子和空穴)。热载流子太阳能电池可将载流子的能量迅速转换为电能，然后再以废热的形式损失掉。因此，对于太阳能电池而言，防止热量损失是一个巨大的挑战。

有鉴于此，科学家们研究了钙钛矿吸收剂材料甲基铵碘化铅，并领导合成了新的甲基铵碘化铅晶体。其中，他们用氘(具有一个中子)代替了氢，结果表明，这将使甲基铵更重，并能有效降低其摇摆速度，因此它可以与去除热量的振动相互作用，从而使载流子保持更长的时间。

研究人员表示，“氘化使传热速度大大降低，从而使载流子冷却时间增加了一倍。这是改善光伏性能的重要因素。”截止目前为止，传统钙钛矿太阳能电池的转换效率已从2009年的3%提高到2020年的25%以上。而设计精良的热载流子装置理论上的转换效率可达到66%。