美国研究人员捕获多余的光子能量来生产太阳能燃料

美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的科学家们开发了一个光电化学原理电池，其能够捕获通常损失的多余光子能量，以产生热量。使用量子点(QD)和所谓多重激子产生(MEG)过程，NREL研究人员能够将氢气产生的外部量子效率的峰值推高到114%。该新型电池利用阳光分解水，可以显着地促进氢的产生，比目前使用的光电化学方法效率更高、成本更低。

该研究的细节在发表于自然能源的论文中进行了概述(“用于光电化学氢析出反应的多重激子生成量子产率超过100%”)，合作者包括 Matthew Beard, Yong Yan, Ryan Crisp, Jing Gu, Boris Chernomordik, Gregory Pach, Ashley Marshall, and John Turner。他们全部来自NREL，Crisp还隶属于科罗拉多矿业学院，Pach和Marshall隶属于科罗拉多大学。Beard和其他NREL科学家，于2011年发表了一篇科学论文(“通过MEG外部光电量子效率峰值超过100%的”量子点太阳能电池”)，其首次显示了MEG如何通过在电流中产生更多电子，使其多于进入太阳电池的光子量，导致太阳能电池的量子效率超过100%。“这里的主要区别在于我们捕获了化学键中的增强MEG，而不仅仅是在电流中。”Beard说。“我们证明在太阳电池中产生额外电流的相同过程也可以应用于发生额外的化学反应或将能量储存在化学键中。”太阳电池的最大理论效率受限于可以将多少光子能量转化为可用的电能，超过半导体吸收带的光子能量将损失产生热量。MEG工艺利用额外的光子能量产生更多的电子，从而增加更多的化学能或电能，而不是产生热量。量子点，球形半导体纳米晶体(直径为2-10nm)，增强了MEG过程。在本报告中，通过QD内MEG过程产生的多个电子或电荷载体被捕获并存储在H2分子的化学键中。NEL研究人员设计了一种基于硫化铅(PbS)QD光电阳极的电池。该光电二极管包含沉积在二氧化钛/氟掺杂氧化锡电介质叠层上的PbS量子点层。由多余电子驱动的化学反应为探索太阳能燃料的高效率方法奠定了新的方向。