利用自旋物理學(xué)可提高太陽能電池的性能

據(jù)報(bào)道，英美科學(xué)家攜手進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，讓有機(jī)太陽能電池內(nèi)的電子采用特定的方式“自旋”，有望大幅提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，該最新技術(shù)還可用于研制性能更高的有機(jī)發(fā)光二極管。

有機(jī)太陽能電池模擬植物的光合作用進(jìn)行工作，其纖薄、輕便而且柔韌，也可以像報(bào)紙一樣打印出來，與目前廣泛使用的硅基太陽能電池相比，制造過程更迅捷，成本也更低。但其最高光電轉(zhuǎn)化率僅為12%，還無法與轉(zhuǎn)化效率高達(dá)20%至25%因此更具商業(yè)優(yōu)勢(shì)的硅基太陽能電池相媲美。

現(xiàn)在，劍橋大學(xué)和華盛頓大學(xué)的科學(xué)家們攜手進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)有機(jī)太陽能電池內(nèi)電子的自旋方式進(jìn)行操控，能顯著提高其性能，有助于科學(xué)家們研制出廉價(jià)且高性能的有機(jī)太陽能電池。

此前科學(xué)家們對(duì)有機(jī)太陽能電池內(nèi)電子的不同表現(xiàn)困惑不已，希望理清為什么有些電子的表現(xiàn)會(huì)出乎意料地好，而另外一些電子的表現(xiàn)則差強(qiáng)人意。為此，劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們研發(fā)出了一種敏感的激光技術(shù)來追蹤有機(jī)太陽能電池內(nèi)電子的行為和相互作用。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;是電子擁有的自旋這種量子屬性。

自旋是粒子擁有的一個(gè)與其角動(dòng)量有關(guān)的屬性。電子擁有兩種自旋方式：朝上或朝下。通過一個(gè)名為“再結(jié)合”的過程，太陽能電池中的電子會(huì)失去其擁有的能量，進(jìn)入一個(gè)完全空的名為“洞”的狀態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)，讓電子采用特定的方式“自旋”，能夠阻止能量損失，并增加太陽能電池的電流。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的研究員阿克沙伊·拉奧表示：“借用這一令人興奮的研究發(fā)現(xiàn)，我們能利用自旋物理學(xué)提高太陽能電池的性能，以前，我們認(rèn)為這不可能發(fā)生。使用這種方式研制的新材料和太陽能電池或許很快會(huì)面世。”

研究人員認(rèn)為，這一設(shè)計(jì)概念有助于科學(xué)家們縮小有機(jī)太陽能電池和硅基太陽能電池在轉(zhuǎn)化效率方面的差異，另外，也有望用于制造性能更高的有機(jī)發(fā)光二極管。有機(jī)發(fā)光二極管是一種方興未艾的顯示技術(shù)，用于制造手機(jī)和電視中使用的更高效的顯示器。