35%！晶硅电池理论极限效率破纪录

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在任何传统的晶硅太阳能电池中，总体效率都存在理论极限的限制。部分理论基于这样的事实，即每个光子能量只能激发单个电子，即使该光子携带能激发两个电子所需的能量。但是现在，研究人员已经证明了一种方法，可以让高能光子撞击硅材料激发出两个电子而不是一个电子，这个方法为新型太阳能电池打开了一扇门，使晶硅太阳能转化效率超出了人们的想象。

虽然传统晶硅太阳能电池的绝对理论最大转化效率约为29.1％，但麻省理工学院和其他机构的研究人员在过去几年中研究出的新方法可能会突破该极限。可能会在当前理论极限上增加几个百分点达到新的最大转化效率。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，以及来自麻省理工学院和普林斯顿大学等其他八位研究人员7月3号在自然杂志上发表了这项研究成果的论文。

这个新方法背后的基本概念在数十年前已为人所知，六年前该团队的一些成员首次证明这个方法有可行性。教授Baldo说：“实际上，将这种方法转化为完整的、可实用的晶硅太阳能电池需要多年的努力”。

“最初的示范是一个很好的测试，表明这个方法是可实施的”，哈佛大学罗兰学院的校友Daniel Congreve博士解释说。他是前一份报告的第一作者，也是新论文的合著者。他还说到，随着现在新的结果，“我们已经完成了我们打算做的事情”。

最初的研究证明了从一个光子可以激发出两个电子，但是是在有机光伏电池中证明出的，这种有机光伏电池效率低于晶硅太阳能电池。Baldo说：“事实证明，将两个电子从由并四苯制成的顶部收集层转移到晶硅电池中并不简单”。麻省理工学院化学教授特洛伊·范沃里斯（Troy Van Voorhis）是原始团队的一员，他指出这个概念最早是在20世纪70年代提出的，并且开玩笑地说，将这个想法变成实践“只用了40年”。

一个光子的光子能量能激发出两个电子的关键在于一类称为激子的“激发态”材料，Baldo说：在这些激子材料中，“这些能量包像电路中的电子一样传播，但与电子的性质完全不同。你可以用它们来改变能量，你可以将它们切成两半，你可以将它们结合起来”。在这种情况下，它们经历了一个叫做单线态激子裂变的过程，这就是光子能量如何被分成两个独立移动的能量包。激子材料首先吸收光子，形成激子，该激子迅速经历裂变成两个激发态，每个激发态具有原始状态的一半能量。

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

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称为量子点的材料中。Baldo说：“它们仍然是激子，但它们是无机的；它们很有效， 它们有效的令人着迷。通过了解该材料中发生的机制，我们没有理由认为硅不会起作用”。

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，而不是它的体积。因此很明显，硅材料表面的化学性质将变得非常重要，这就是决定表面状态的原因”。他表示，关注硅表面的化学性质可能是这支团队在别人之前取得成功的原因。

关键是在一个薄的中间层。Einzinge 说：“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）之间的界面上的微小材料条带（一层名为氮氧化铪的材料）最终解决了一切。这就是为什么其他研究人员无法让这个过程发挥作用的原因，也是我们最终做到的原因。”

Baldo说：这层材料只有几个原子厚，或者只有8埃（十亿分之一米），但它对于激发态来说是一个“漂亮的桥梁”。这最终使得单个高能光子可以激发硅电池内的两个电子的释放。这使得光谱的蓝色和绿色部分在给定量的太阳光情况下产生的能量增加一倍。总的来说，这可以使太阳能电池产生的功率增加，从理论最大值29.1％提升到最高约35％。

实际的硅电池尚未达到最大值，也没应用这两种新材料，因此需要进行更多的开发，但现在已经证明了有效耦合这两种材料的关键步骤。Baldo说：“我们仍需要为这一过程优化硅电池”。首先，对于新系统，这些电池片比当前晶硅电池片版本更薄，还需要完成材料的稳定性工作之后再确保耐用性。该团队表示，总体而言，商业应用可能还需要几年时间。

提高太阳能电池效率的其他方法倾向于在硅电池上添加另一种电池材料，例如钙钛矿层。Baldo说：“他们只是在一个电池片上叠加了另一个电池。从根本上说，我们正在创造一个电池，我们对硅电池进行“涡轮增压”。我们正在让硅电池产生更多的电流，而不是制造两个电池。”

研究人员检测到氮氧化铪材料的一个特殊性质，它可以帮助转移激子能量。Einzinger说：“我们知道氮氧化铪会使界面处产生额外的电荷，再通过称为电场钝化的工艺减少光生载流子的复合。如果我们能够更好地控制这种现象，效率可能会提高至更高。”

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