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科學家已經證實，碳基光電聚合物所製造的電子數量是加倍的，這有助於讓任何一種太陽能電池的效率也加倍提升。

這種被稱為「單態裂變(singlet fission)」的過程能從單一光子產生「同卵雙生(identical twin)」的2個電子，而不是正常的1個，將大幅提升太陽能電池的理論最大輸出值。這種過程不會損失能量轉成熱，多出來電子是透過在現有的太陽能電池上添加聚合物溶液所產生。

美國Brookhaven國家實驗室研究員Matt Sfeir表示，要提升太陽能電池效率會遇到的困難之一，是電池所吸收的光能量會有一部分以熱的形式損失：「不過在單態裂變中，1個光吸收單元會透過加乘程序產生2個電單元，而非傳統太陽能電池的只有1個電單元以及熱。」

此外，該技術採用的碳基聚合物(BaTi2Sb2O與BaTi2As2O)，能液化並利用廉價的製程大量生產，而且基本上是以「印刷」的方式塗佈到傳統太陽能電池上。

「我們的材料可做為傳統光電材料(有機或無機)的敏化劑(sensitizer)；」Sfeir表示：「不同於過去曾報導過的裂變材料，我們的聚合物材料溶解為液體時也能有效運作，而且有具備以工業化方式大量生產的潛力。」 

美國Brookhaven國家實驗室透過在傳統太陽能電池上塗佈聚合物材料的方法達成單態分裂，讓太陽能電池產生更多的電子
（來源：美國Brookhaven國家實驗室）

其他研究人員也曾製作過單態裂變材料，最廣為人知的就是並五苯(pentacene)，但Sfeir表示他們所開發的材料效果依樣好，而且更重要的是能更輕易地添加到現有太陽能電池上。 

「並五苯以薄膜的型態能達到近200%的效率，而我們的材料之裂變是在單一聚合物鏈上發生，是唯一以溶液型態仍效果良好的、效率可達170%；」Sfeir表示：「我們有一個大致的框架，希望能用以製作種類更廣泛的單態裂變分子與聚合物。而我們也在探索一些概念，讓材料效率能更進一步提升至200%。」

Sfeir的團隊也正在嘗試將該技術的應用超越傳統塊狀太陽能電池，前進以無機(非碳)奈米材料為基礎的「第三代概念」；他表示：「我們的理想是打造熱載子(hot-carrier)太陽能電池，能完全以我們的有機單態裂變材料溶液製程來組裝。」

而Sfeir表示，其單態裂變材料能針對特殊應用客製化；例如會吸收可見光譜不同部分的特定形式太陽能電池：「我們已經證實一個通用的設計原則，能生產其特性適合特定應用的一系列材料；我們希望這能催生讓特定形式太陽能電池最佳化的更多樣化材料。」

Brookhaven實驗室所屬的功能性奈米材料中心(Center for Functional Nanomaterials，CFN)，是採用時間解析光譜學(time-resolved optical spectroscopy)來誘發和量化Sfeir團隊開發之材料的單態裂變，在過程中單個雷射光子會產生兩個三重態激子(triplet type exciton)。Sfeir表示，它們採用了一種「瞬態吸收」技術，類似於擁有非常快速快門的攝影機。

「我們利用雷射脈衝將光能量推進材料中，然後以一連串較弱的光脈衝來觀察那些光能量的變化；」Sfeir表示：「令人驚訝的是，我們確定單態裂變加乘程序主導衰變過程，此外CFN的運算叢集被用以替那些材料建立模型，還有理解單態裂變的設計需求。」

美國Brookhaven國家實驗室研究員Matt Sfeir (右) 以及CFN博士後研究員Erik Busby 
（來源：美國Brookhaven國家實驗室）

Sfeir指出，他們還利用Brookhaven實驗室的雷射-電子加速器(Laser-Electron Accelerator Facility)來比較分別以脈衝幅解(pulse radiolysis)與直接光子吸收方式產生的三重態激子：「兩種不同實驗的差異，能讓我們更確認裂變主導主要衰變過程。」

接下來Brookhaven實驗室科學家的目標是生產一整個系列能運用在單態裂變製程的材料，然後針對太陽能電池應用將有機碳基材料最佳化。在證明每個光子能產生更多電子之餘，他們期望能利用額外的刺激打造出效率更高的可用元件；此外他們還計劃利用從有機太陽能電池最佳化的經驗，來打造第三代無機太陽能電池。 

Sfeir表示：「我們的夢想是打造一種太陽能電池，能利用有機裂變材料，完全以無機奈米粒子溶液製程來組裝。」參與該研究的還包括來自哥倫比亞大學(Columbia University)的研究員。 

編譯：Judith Cheng

(參考原文： Print-On Polymer Multiplies Solar Output，by R. Colin Johnson)

資料來源:電子工程專輯