从每个光子中收集两个电子的方法可以突破太阳能电池的理论效率极限。

从每个光子中收集两个电子的方法可以突破太阳能电池的理论效率极限。
“单线态裂变”的过程，这是从单个入射光子产生两个电子的第一步。
标题:该图描绘了“单线态裂变”的过程，这是从单个入射光子产生两个电子的第一步。
学分:图片由研究人员提供
在任何传统的硅基太阳能电池中，总效率都有绝对限制，部分原因是每个光子只能释放一个电子，即使该光子携带的能量是这样做所需能量的两倍。但是现在，研究人员已经展示了一种让高能光子撞击硅以踢出两个电子而不是一个电子的方法，从而为新型太阳能电池打开了大门，其效率比想象的要高。

虽然传统硅电池的绝对理论最大太阳能转换效率约为 29.1%，但麻省理工学院和其他地方的研究人员在过去几年中开发的新方法可能会突破这一限制，有可能将这一最大值提高几个百分点输出。研究结果今天发表在《自然》杂志上，发表在研究生 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人的论文中。

这项新技术背后的基本概念已经为人所知数十年，该团队的一些成员在六年前首次证明了该原理是可行的。但实际上将这种方法转化为完整的、可操作的硅太阳能电池需要多年的努力，Baldo 说。

Daniel Congreve 博士 15 年解释说，最初的演示“是一个很好的测试平台”，表明这个想法可行的新论文。现在，有了新的结果，“我们已经完成了该项目的计划”，他说。

最初的研究证明了一个光子会产生两个电子，但它是在有机光伏电池中实现的，这种电池的效率低于硅太阳能电池。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“并不简单，”Baldo 说。麻省理工学院化学教授 Troy Van Voorhis 是最初团队的一员，他指出这个概念最早是在 1970 年代提出的，并讽刺地说，将这个想法变成实用的设备“只用了 40 年”。

将一个光子的能量分解成两个电子的关键在于一类具有“激发态”的材料，称为激子，Baldo 说：在这些激子材料中，“这些能量包像电路中的电子一样四处传播，”但具有与电子完全不同的特性。“你可以用它们来改变能量——你可以把它们切成两半，你可以把它们结合起来。” 在这种情况下，他们经历了一个称为单线态激子裂变的过程，这就是光能如何分裂成两个独立的、独立移动的能量包的过程。该材料首先吸收一个光子，形成一个激子，激子迅速裂变成两个激发态，每个激发态的能量都是原始状态的一半。

但棘手的部分是将能量耦合到硅中，硅是一种非激子材料。这种耦合以前从未完成过。

作为中间步骤，该团队尝试将激子层的能量耦合到一种称为量子点的材料中。“它们仍然是激子的，但它们是无机的，”Baldo 说。“那行得通；它就像一种魅力，”他说。他说，通过了解该材料中发生的机制，“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，而不是其体积。“所以很明显，硅的表面化学将变得很重要。这就是决定表面状态类型的因素。” 他表示，对表面化学的关注可能是让这个团队取得成功的原因，而其他人则没有。

钥匙在一个薄的中间层中。“事实证明，这两个系统（硅太阳能电池和具有激子特性的并四苯层）之间界面处的这种微小的材料条最终决定了一切。这就是为什么其他研究人员无法让这个过程发挥作用，而我们最终做到了。” 他说，是 Einzinger“终于敲开了那颗坚果”，他使用了一层称为氮氧化铪的材料。

Baldo 说，该层只有几个原子厚，或者只有 8 埃（十亿分之一米），但它充当了激发态的“良好桥梁”。这最终使单个高能光子有可能触发硅电池内两个电子的释放。这会使给定量的阳光在光谱的蓝色和绿色部分产生的能量翻倍。总的来说，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% 到最大值约 35%。

实际的硅电池还没有达到最大值，新材料也不是，因此需要做更多的开发，但有效耦合两种材料的关键步骤现已得到证实。“我们仍然需要为这个过程优化硅电池，”Baldo 说。一方面，使用新系统，这些电池可以比当前版本更薄。还需要努力稳定材料的耐用性。该团队表示，总体而言，商业应用可能还需要几年时间。

其他提高太阳能电池效率的方法往往涉及在硅上添加另一种电池，例如钙钛矿层。Baldo 说：“他们在另一个细胞之上建造一个细胞。从根本上说，我们正在制造一个电池——我们正在对硅电池进行涡轮增压。我们正在向硅中添加更多电流，而不是制造两个电池。”

研究人员测量了氮氧化铪的一种特殊性质，该性质有助于转移激子能量。“我们知道，氮氧化铪会在界面处产生额外的电荷，从而通过称为电场钝化的过程减少损耗。如果我们能够更好地控制这种现象，效率可能会更高。” 爱因辛格说。到目前为止，他们测试过的其他材料都无法与它的特性相匹配。