作者：MassachusettsInstituteofTechnology

在任何傳統的硅基太陽能電池中，總效率都有一個絕對的限制，部分原因是光的每一個光子只會與一個電子發生碰撞，即使這個光子攜帶的能量是需要的兩倍。但是現在，研究人員已經證明了一種讓高能光子撞擊硅來激發兩個電子而不是一個電子的方法，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。

雖然傳統的硅電池理論上的太陽能轉換效率最高約為29.1%，但麻省理工學院和其他地方的研究人員在過去幾年中開發的新方法可能突破這一限制，可能會給最大產量增加幾個百分點。研究生MarkusEinzinger、化學教授MoungiBawendi、電氣工程和計算機科學教授MarcBaldo以及麻省理工學院和普林斯頓大學的其他八位教授在《自然》雜志上發表了一篇論文。

這項新技術背后的基本概念已經存在幾十年了，直到六年前，這個團隊的一些成員首次證明了這項原則是可行的。但實際上，將這種方法轉化為一種完整的、可操作的硅太陽能電池需要多年的努力，Baldo說。

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

最初的研究證明了從一個光子中產生兩個電子，但它是在有機光伏電池中實現的，這比硅太陽能電池效率低。Baldo說，事實證明，將這兩個電子從由四烯組成的頂層收集層轉移到硅電池“并不簡單”。麻省理工學院的化學教授TroyvanVoorhis是最初團隊的一員，他指出這個概念最初是在20世紀70年代提出的，并諷刺地說，把這個想法變成一個實用的裝置“只花了40年時間”。

把一個光子的能量分裂成兩個電子的關鍵在于一類具有“激發態”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，也可以把它們結合起來。在這種情況下，它們經歷了一個叫做單態激子裂變的過程，這就是光的能量如何分裂成兩個獨立的，獨立移動的能量包。物質首先吸收一個光子，形成一個激子，它迅速地裂變成兩個激發態，每個激發態的能量都是原始態的一半。

但棘手的部分是將能量耦合到硅中，硅是一種非激發態材料。這種聯接以前從未完成過。

作為一個中間步驟，研究小組嘗試將激子層的能量耦合成一種叫做量子點的物質。他們仍然是興奮性的，但他們是無機的。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生的機制，“我們沒有理由認為硅不會起作用。”

vanVoorhis說，這項研究表明，這些能量轉移的關鍵在于材料的表面，而不是其體積。所以很明顯，硅的表面化學性質是很重要的。這正是決定表面狀態的因素。他建議，這種對表面化學的關注可能是讓這個團隊在其他團隊沒有的地方取得成功的原因。

關鍵在于這層薄薄的中間層。“事實證明，在這兩個系統（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，這個層只有幾個原子厚，或者只有8埃（10億分之一米），但它對激發態起到了“很好的橋梁”的作用。最終使得單個高能光子能夠觸發硅電池內兩個電子的釋放。它產生的能量是光譜中藍色和綠色部分中給定數量的陽光所產生能量的兩倍。總的來說，這可能會增加太陽能電池的發電量，從理論上的最大值29.1%最大增加到35%。

實際中的硅電池還沒有達到最大值，而且新材料也沒有達到最大值，因此需要進行更多的開發，但是有效地耦合這兩種材料的關鍵步驟現已得到證明。“我們仍然需要為這個過程優化硅電池。”Baldo說。首先，在新系統中，這些電池可以比當前版本的電池薄。還需要做一些工作來穩定材料的耐久性。總體而言，商業應用程序可能還有幾年的時間，該團隊說。

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：“他們正在一個細胞上建立另一個細胞。從根本上說，我們正在制造一個電池——我們正在對硅電池進行渦輪增壓。我們在硅中加入更多的電流，而不是制造兩個電池。”

研究人員測量了氮氧化鉿的一種特殊性質，它有助于轉移激發能。”我們知道，氮氧化鉿在界面上產生附加電荷，它會通過一個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象，效率可能會更高。”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。

這項研究是麻省理工學院激發電子學的一部分，由美國能源部資助。