29%→35%！激动人心的提升

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美国研究人员设计出一种新型晶硅太阳能电池方案，通过改变钝化层材料提高晶硅电池能量转化效率的上限，可从目前的约29%提升到35%。

美国麻省理工学院日前发布公报说，新电池由该校人员和美国普林斯顿大学等机构同行设计，利用“单线态激子裂变”原理，加强对高能光子能量的利用。

在太阳能电池中，光子激发材料分子释放电子，产生电流。通常一个光子只能激发出一个电子，高能光子的剩余能量会以热量的形式散失。

此前人们发现，在并四苯等某些有机材料里，一个分子吸收一个高能光子后，可将部分能量转移给另一个分子，最终产生两个电子，这种现象称为“单线态激子裂变”。

理论上，在晶硅电池上覆盖一层并四苯，就能用一个高能光子获得两个电子，但如何让“单线态激子裂变”产生的两个电子转移到硅材料中是一个关键难题。

为了保证电池效率和耐久性，硅材料必须有表面钝化层。并四苯中产生的电子必须穿过钝化层，才能到达晶硅材料。相对于电子转移能力来说，目前的钝化层都太厚了。

新方案的关键是用氮氧化铪对晶硅材料进行钝化，得到的钝化层厚度仅0.8纳米（1纳米等于十亿分之一米），可容许更多电子通过。

研究表明，并四苯每吸收一个光子，平均有1.3个电子可穿过氮氧化铪钝化层，转移到晶硅材料里。

相关论文已发表在《自然》杂志上。研究人员说，新电池效率远未达到理论极限，尚需改进，但试验证明了其中的关键步骤行之有效。

该方案没有引入复杂的设计，而且可能使电池总体上更薄。

论文的概括和评论

数千年来，人类一直在利用太阳的巨大能量。地球上任何时候接收的太阳能总量约为10的17次方瓦，而全球电力需求约为10的12次方瓦。尽管光伏发电似乎无处不在，但美国仅有1.3％的电力来自太阳能发电（2018年，中国太阳能发电量占总发电量的占比为2.5%）。因此，太阳能电池产业仍有巨大的增长机会，为全世界人们提供清洁和可再生能源。经济因素推动了能源领域的决策，因此，为了更多地采用光伏发电，研究人员不断致力于使这些太阳能电池组件更耐用，更有效地将太阳光转化为电能。在nature最新的一篇论文中，Einzinger 等人，报告了提高太阳能电池效率的潜在方法。

在不引入实质的复杂性或成本的情况下高度优化太阳能电池的效率很难实现，但这是一个潜在的变革目标。晶硅太阳能电池目前在市场上占主导地位，但其光电转化效率限制十分明显。1961年，当时发现最明显的缺陷是高能光子会产生不必要的热量。因此，传统的硅太阳能电池仅限于在完美的装置中其光电转化效率能达到30%。克服这一障碍的策略包括将不同的太阳能电池串联堆叠，或者在吸收太阳光之前找到分离光子能量的方法。

Einzinger及其同事展示了一种方法，通过这种方法，分子层将高能激发产生的高能激发分解成两个低能激发。随后，这些激发通过精心设计的接触面转移到晶硅太阳能电池中，在那里它们被转换成电流。该策略不涉及额外的电接触或改变太阳能电池的操作。长期以来，人们一直认为，以避免能量转化为热量耗散，作为设计最先进的高效率晶硅太阳能电池潜在简单而有效的方式。

图1.单线裂变太阳能电池

Einzinger 等人报告中晶硅太阳能电池的实验，电池顶部表面覆盖有氮氧化铪的超薄涂层。材料并四苯沉积在该涂层的顶部，通过并四苯层吸收高能光子产生单重态激子，电子的束缚态和具有零自旋（磁矩）的空穴（电子空位）。该单线态激子经历称为单线态裂变的过程以产生两个三重态激子：具有自旋为1的电子 - 空穴对。然后这些激子通过氮氧化铪转移到太阳能电池中。最后，电子和空穴扩散到电池底部的相应电触点，产生电流。

从一个被吸收的光子形成一对低能激发的过程称为单线态裂变。这种机制已经发生，主要是因为其潜在的利益回潮提高太阳能的能量收集。能够实现单线态裂变的原型材料称为结晶并四苯，该材料将（高能量）蓝光或绿光分成两个激发，其能量类似于晶硅的最低能量激发。这种能量匹配使得并四苯和晶硅成为单线态裂变产物转移潜在的理想“合作伙伴”。并四苯和晶硅太阳能电池的组合先前用于搜索引起单峰裂变效率提高的证据，但在低能量激发转移到单线裂变太阳能电池的关键步骤不能被验证。

在单线态裂变中，高能激发是单重态激子，电子的束缚态和具有零磁矩（即零自旋）的电子空位（空穴）。低能激发是三重态，激子-电子-空穴对，其自旋为1。与它们的单重态激子不同，由于量子力学自旋选择规则，三重态激子不能通过发射辐射返回基态。该限制延长了它们的寿命，但是抑制了共同的能量转移机制，否则该能量转移机制能够通过例如厚的钝化层（保护太阳能电池的表面免受污染的惰性材料）进行激发的长程转移。

1979年，物理学家大卫德克斯特认识到可能可以在晶硅太阳能电池上使用并四苯层。他设想由单线裂变产生的两个三重态激子可以通过这些独特机制有效地转移到太阳能电池中，使太阳能电池从太阳吸收蓝光和，使该装置产生的电流加倍。然而，这种机制只能短程转移，并且仅通过超薄屏障可以有效地发生。这种屏障通常不足以钝化诸如晶硅的半导体表面，导致功率损失，这可能超过单线态裂变的增益效果。虽然并四苯的光学性质是这种能量转移过程的理想选择，但其良好的电性能使其直接集成到高效太阳能电池中变得非常复杂。

通过Einzinger 等人的出色表现，基于发现极薄的钝化层可以由氮氧化铪制成，可以以这样的方式沉积该材料，使得其厚度以高精度控制，并且可以仅以0.8纳米的厚度保护硅表面。传统的太阳能电池在光吸收半导体的顶部和底部使用相对的电接触以提取电子和空穴，从而产生电流。相比之下，一些高效太阳能电池设计为两种类型的接触分离，但在电池的背部。这种背接触电池设计与钝化层相结合，是单线态裂变太阳能电池的关键。

Einzinger及其同事表明，当太阳能电池顶部的并四苯层被蓝光或绿光激发时，会形成三重态激子（图1）。这些激子通过氮氧化铪转移到硅太阳能电池中，而不需要额外的电接触。激子产率，定义为每个光子转移到太阳能电池中的平均激子数，约为1.3个。除了产量超过1之外，三重激子转移进一步的证据在于磁场效应，其对于单线态裂变产生的三重态激子具有独特的特征。

在激发并四苯之后，晶硅层中的电子和空穴之间的碰撞导致光的发射。该光的模拟显示，76％的三重态激子通过钝化层转移，而单重态激子的转移率为56％。单线态激子不是起增益效果的，因为它们每个光子仅代表一个电子-空穴对。因此，通过提高并四苯中单线态裂变的速率，从而降低它们对太阳能电池的影响，从而减少它们在界面处的三重态的比例，是不久的将来的主要目标。

在这个阶段，Einzinger及其同事的太阳能电池效率相对较低，设计的优化还不是很成熟。氮氧化铪使晶硅表面钝化，但发现前几个注入的电子和空穴在转移到太阳能电池之前用于填充晶硅表面的缺陷，这一发现表明界面仍然不完美，但仍然显示了这种策略在工作太阳能电池中的潜力。此外，理论上没有很好地描述三重态激子转移的机制以及它如何加速。尽管需要相当大的改进，但该领域现在正朝着高效三重激子向晶硅转移的方向发展，这有朝一日可能使德克斯特的梦想成为现实。

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