新型太阳能电池打开了超越效率极限的大门

该图描绘了“单裂变”的过程，这是从单个入射光子产生两个电子的第一步。图片由研究人员提供

在任何常规的基于硅的太阳能电池中，总效率存在绝对限制，部分原因是每个光子光只能击打单个电子，即使该光子携带的能量是实现此目的所需能量的两倍。但是现在，研究人员展示了一种使高能光子撞击硅而不是发射两个电子的方法，从而为新型太阳能电池打开了大门，效率更高。

尽管常规硅电池的绝对理论最大效率约为太阳能转换的29.1％，但由麻省理工学院和其他机构的研究人员在过去几年中开发的新方法可能会突破该限制，有可能使该最大值增加几个百分点。输出。该结果今天在《自然》杂志上发表，该论文由研究生Markus Einzinger，化学教授Moungi Bawendi，电气工程和计算机科学教授Marc Baldo以及麻省理工学院和普林斯顿大学的其他八位论文撰写。

这项新技术背后的基本概念已经有数十年的历史了，六年前该小组的一些成员首次进行了证明该原理可行的论证。巴尔多说，但是实际上将这种方法转换为完整的，可操作的硅太阳能电池需要花费多年的辛勤工作。

最初的演示“是一个很好的测试平台”，表明该想法可行。DanielCongreve '15博士解释说，他现在是哈佛罗兰研究所的校友，他是先前报告的主要作者，并且是其中的合著者。新纸。他说，现在有了新的结果，“我们已经完成了我们计划要做的事情”。

最初的研究表明，一个光子会产生两个电子，但它是在有机光伏电池中产生的，这种太阳能电池的效率比硅太阳能电池低。巴尔多说，事实证明，将两个电子从并四苯制成的顶部收集层转移到硅电池中“并非易事”。麻省理工学院化学教授特洛伊·范·沃希斯（Troy Van Voorhis）曾是该原始团队的一员，他指出，该概念最早是在1970年代提出的，他苦苦地表示，将这种想法变成一种实用的设备“仅用了40年”。

巴尔多说，将一个光子的能量分成两个电子的关键在于一类具有“激发态”的材料，称为激子。在这些激子材料中，“这些能量包像电路中的电子一样在周围传播”，但其性质与电子完全不同。“您可以使用它们来改变能量-您可以将它们切成两半，可以将它们组合在一起。”在这种情况下，他们正在经历一个称为单重态激子裂变的过程，这就是光的能量被分成两个独立的，独立移动的能量包的过程。材料首先吸收光子，形成激子，激子迅速分裂为两个激发态，每个激发态的能量只有原始态的一半。

但是，棘手的部分是将能量耦合到硅中，而硅不是激子。之前从未实现过这种耦合。

作为一个中间步骤，该团队尝试将来自激子层的能量耦合到一种称为量子点的材料中。巴尔多说：“它们仍然是兴奋剂，但它们是无机的。”“那行得通；它像魅力一样发挥作用。”他说。他说，通过了解这种材料中发生的机理，“我们没有理由认为硅不起作用。”

Van Voorhis说，这项工作表明，这些能量转移的关键在于材料的表面，而不是体积。“因此很明显，硅表面的化学性质将很重要。那就是要确定存在哪种表面状态的原因。”他认为，把重点放在表面化学上可能是该团队在其他团队无法做到的地方取得成功的原因。

关键在于薄的中间层。“事实证明，这两个系统（硅太阳能电池和具有并激子特性的并四苯层）之间的界面处的材料条非常细小，最终定义了一切。这就是为什么其他研究人员无法使该过程正常工作的原因，也是我们最终做到这一点的原因。”他说，正是通过使用一层称为氮氧化ha的材料，才使爱因辛格“终于弄破了那个螺母”。

巴尔多说，该层只有几个原子厚，或者只有8埃（十亿分之一米），但是它充当了激发态的“妙桥”。最终，单个高能光子就有可能触发硅电池内部两个电子的释放。在光谱的蓝色和绿色部分，给定数量的阳光产生的能量将增加一倍。总体而言，这可能会增加太阳能电池产生的功率-从理论上的最大值29.1％增大到最大值约35％。

实际的硅电池尚未达到最大使用量，也不是新材料，因此还需要做更多的开发工作，但是现在已经证明了有效耦合两种材料的关键步骤。“我们仍然需要为此工艺优化硅电池，” Baldo说。一方面，在新系统中，这些单元可能比当前版本更薄。还需要进行稳定材料以提高耐用性的工作。该团队说，总体而言，商业应用可能还需要几年的时间。

其他提高太阳能电池效率的方法往往包括在硅上添加另一种类型的电池，例如钙钛矿层。巴尔多说：“他们正在一个单元建造另一个单元。从根本上讲，我们正在制造一个电池-我们是在对硅电池进行涡轮增压。我们正在向硅中增加更多的电流，而不是制造两个电池。”

研究人员测量了氮氧化ha的一种特殊性质，该性质有助于其转移激子能量。“我们知道，氮氧化ha在界面处会产生额外的电荷，这通过称为电场钝化的过程来减少损耗。如果我们能够更好地控制这种现象，效率可能会更高。”艾因格说。到目前为止，他们测试过的其他材料都无法与其性能相匹配。

这项研究是由美国能源部资助的麻省理工学院激振中心的一部分。

出版物：Markus Einzinger等人，“通过并四碳中的单重态激子裂变对硅的敏感性”，《自然》第571卷，第90-94页（2019年）