作者：MassachusettsInstituteofTechnology

在任何傳統(tǒng)的硅基太陽能電池中，總效率都有一個(gè)絕對的限制，部分原因是光的每一個(gè)光子只會(huì)與一個(gè)電子發(fā)生碰撞，即使這個(gè)光子攜帶的能量是需要的兩倍。但是現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)證明了一種讓高能光子撞擊硅來激發(fā)兩個(gè)電子而不是一個(gè)電子的方法，這為新型太陽能電池打開了一扇門，其效率比人們想象的要高。

雖然傳統(tǒng)的硅電池理論上的太陽能轉(zhuǎn)換效率最高約為29.1%，但麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員在過去幾年中開發(fā)的新方法可能突破這一限制，可能會(huì)給最大產(chǎn)量增加幾個(gè)百分點(diǎn)。研究生MarkusEinzinger、化學(xué)教授MoungiBawendi、電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授MarcBaldo以及麻省理工學(xué)院和普林斯頓大學(xué)的其他八位教授在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文。

這項(xiàng)新技術(shù)背后的基本概念已經(jīng)存在幾十年了，直到六年前，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的一些成員首次證明了這項(xiàng)原則是可行的。但實(shí)際上，將這種方法轉(zhuǎn)化為一種完整的、可操作的硅太陽能電池需要多年的努力，Baldo說。

最初的演示“是一個(gè)很好的測試平臺(tái)”，證明這個(gè)想法是可行的。丹尼爾·康格里夫博士解釋說，他現(xiàn)在是哈佛大學(xué)羅蘭研究所的一名校友，是之前報(bào)告的主要作者，也是這篇新論文的合著者。現(xiàn)在，有了新的結(jié)果，“我們已經(jīng)完成了我們計(jì)劃要做的事情”，他說。

最初的研究證明了從一個(gè)光子中產(chǎn)生兩個(gè)電子，但它是在有機(jī)光伏電池中實(shí)現(xiàn)的，這比硅太陽能電池效率低。Baldo說，事實(shí)證明，將這兩個(gè)電子從由四烯組成的頂層收集層轉(zhuǎn)移到硅電池“并不簡單”。麻省理工學(xué)院的化學(xué)教授TroyvanVoorhis是最初團(tuán)隊(duì)的一員，他指出這個(gè)概念最初是在20世紀(jì)70年代提出的，并諷刺地說，把這個(gè)想法變成一個(gè)實(shí)用的裝置“只花了40年時(shí)間”。

把一個(gè)光子的能量分裂成兩個(gè)電子的關(guān)鍵在于一類具有“激發(fā)態(tài)”的材料，稱為激子，Baldo說：“在這些激子材料中，這些能量包像電路中的電子一樣傳播，但其性質(zhì)與電子完全不同。你可以用它們來改變能量——你可以把它們切成兩半，也可以把它們結(jié)合起來。在這種情況下，它們經(jīng)歷了一個(gè)叫做單態(tài)激子裂變的過程，這就是光的能量如何分裂成兩個(gè)獨(dú)立的，獨(dú)立移動(dòng)的能量包。物質(zhì)首先吸收一個(gè)光子，形成一個(gè)激子，它迅速地裂變成兩個(gè)激發(fā)態(tài)，每個(gè)激發(fā)態(tài)的能量都是原始態(tài)的一半。

但棘手的部分是將能量耦合到硅中，硅是一種非激發(fā)態(tài)材料。這種聯(lián)接以前從未完成過。

作為一個(gè)中間步驟，研究小組嘗試將激子層的能量耦合成一種叫做量子點(diǎn)的物質(zhì)。他們?nèi)匀皇桥d奮性的，但他們是無機(jī)的。他說：“這起作用了，就像一種魅力。”他說，通過理解這種材料中發(fā)生的機(jī)制，“我們沒有理由認(rèn)為硅不會(huì)起作用。”

vanVoorhis說，這項(xiàng)研究表明，這些能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵在于材料的表面，而不是其體積。所以很明顯，硅的表面化學(xué)性質(zhì)是很重要的。這正是決定表面狀態(tài)的因素。他建議，這種對表面化學(xué)的關(guān)注可能是讓這個(gè)團(tuán)隊(duì)在其他團(tuán)隊(duì)沒有的地方取得成功的原因。

關(guān)鍵在于這層薄薄的中間層。“事實(shí)證明，在這兩個(gè)系統(tǒng)（硅太陽能電池和具有興奮性的四烯層）之間的界面上，這條微小的物質(zhì)帶最終決定了一切。這就是其他研究人員無法使這一過程起作用的原因，也是我們最終做到這一點(diǎn)的原因。“是Einzinger最終破解了壁壘，通過使用一種被稱為氮氧化鉿的材料。

Baldo說，這個(gè)層只有幾個(gè)原子厚，或者只有8埃（10億分之一米），但它對激發(fā)態(tài)起到了“很好的橋梁”的作用。最終使得單個(gè)高能光子能夠觸發(fā)硅電池內(nèi)兩個(gè)電子的釋放。它產(chǎn)生的能量是光譜中藍(lán)色和綠色部分中給定數(shù)量的陽光所產(chǎn)生能量的兩倍。總的來說，這可能會(huì)增加太陽能電池的發(fā)電量，從理論上的最大值29.1%最大增加到35%。

實(shí)際中的硅電池還沒有達(dá)到最大值，而且新材料也沒有達(dá)到最大值，因此需要進(jìn)行更多的開發(fā)，但是有效地耦合這兩種材料的關(guān)鍵步驟現(xiàn)已得到證明。“我們?nèi)匀恍枰獮檫@個(gè)過程優(yōu)化硅電池。”Baldo說。首先，在新系統(tǒng)中，這些電池可以比當(dāng)前版本的電池薄。還需要做一些工作來穩(wěn)定材料的耐久性。總體而言，商業(yè)應(yīng)用程序可能還有幾年的時(shí)間，該團(tuán)隊(duì)說。

其他提高太陽能電池效率的方法往往包括在硅上添加另一種電池，如鈣鈦礦層。Baldo說：“他們正在一個(gè)細(xì)胞上建立另一個(gè)細(xì)胞。從根本上說，我們正在制造一個(gè)電池——我們正在對硅電池進(jìn)行渦輪增壓。我們在硅中加入更多的電流，而不是制造兩個(gè)電池。”

研究人員測量了氮氧化鉿的一種特殊性質(zhì)，它有助于轉(zhuǎn)移激發(fā)能。”我們知道，氮氧化鉿在界面上產(chǎn)生附加電荷，它會(huì)通過一個(gè)叫做電場鈍化的過程減少損耗。如果我們能更好地控制這一現(xiàn)象，效率可能會(huì)更高。”Einzinger說。到目前為止，他們測試過的其他材料都不能與它的性能相匹配。

這項(xiàng)研究是麻省理工學(xué)院激發(fā)電子學(xué)的一部分，由美國能源部資助。