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半导体纳米结构中低能光子的上转换用于太阳能收集

DOI:10.1557/mre.2018.15 期刊:MRS Energy & Sustainability 出版年份:2018 更新时间:2025-09-23 15:22:29
摘要: 我们探讨了最先进上转换材料在提升太阳能电池性能方面的现状。重点研究能够捕获太阳光谱两个独立波段的半导体上转换纳米结构,这为合理设计更高性能从而增强整体太阳能捕获能力提供了可行路径。光子上转换是指依次吸收两个低能光子并发射一个高能光子的过程。无机和有机材料平台的光子上转换技术均已用于提高太阳能电池效率:镧系掺杂盐(无机)和三重态-三重态湮灭分子(有机)分别实现了33%和60%的内量子转换效率,使电流密度分别提升了17 mA/cm2和0.86 mA/cm2。但其性能受限于狭窄的吸收带宽(AB)和有限的调控性,尤其在低光子通量条件下。近期胶体半导体纳米结构作为上转换材料平台展现出潜力——这些低维异质结构的光学吸收同时涉及量子限域态和连续带态,可实现更宽的吸收带宽。此外,通过半导体异质结构工程化技术可优化性能并定制吸收/发射波长。本文综述上转换材料(特别是半导体上转换器)的性能及其对太阳能捕获的潜在影响,讨论表明半导体上转换纳米结构在光伏领域可能具有卓越性能,进而分析当前半导体上转换材料的形态与组分研究进展,展望通过纳米结构定制来提升应用性能的发展方向。
作者: Eric Y. Chen,Christopher Milleville,Joshua M.O. Zide,Matthew F. Doty,Jing Zhang
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为探究提升太阳能电池性能的先进上转换材料现状,重点关注能捕获太阳光谱中两个独立波段的半导体纳米结构。

半导体量子点异质结构因其宽吸收带宽和可调谐性,在光伏上转换领域展现出应用前景。然而当前内量子效率(0.002%)与实现太阳能高效利用所需的1-10%之间存在显著差距。未来研究应聚焦于通过纳米结构工程克服表面态、低光电子产率等限制因素,以充分发挥其潜力。

该综述指出了现有上转换材料的局限性,例如镧系元素和TTA分子在低光子通量下存在吸收带宽窄和效率低的问题。对于半导体纳米结构,当前的内量子效率(iUQE)较低(0.002%),面临的挑战包括表面态钝化、低光电子产率(PES)以及对纳米结构组成的精确控制。

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