晶硅电池复仇之路，从这篇Nature开始?

几千年文明史以来，人类对太阳的渴望，从未稍减。地球上每时每刻接收到的太阳能约为10¹⁷瓦，而全球电力需求仅为10¹²瓦左右。尽管太阳能电池似乎无处不在，但即便是走在前列的能源大国美国也仅有1.3％的电力来自太阳能。无论是从可再生清洁能源，还是从经济的角度而言，更多地发展和使用太阳能电池，不断致力于使太阳能光伏器件更耐用，更有效地将太阳光转化为电能都是值得人类不停地追逐的。

数十年以来，硅太阳能电池长期在市场上占据霸主地位，但理论效率的天花板严重限制了其更长远的发展。1961年的一份研究指出，硅太阳能电池中高能光子会产生不必要的热量，即便是最完美的硅太阳能电池，其光电转化效率也很难超过30％。除此之外，硅太阳能电池还因为其制作过程的高污染性而备受诟病。

直到2009年，钙钛矿横空出世。这匹黑马以迅雷不及掩耳之势一路高歌猛进，低成本，更简单的制作工艺，不断攀升且无可限量的转化效率等等优势，使钙钛矿逐渐成为太阳能电池中的翘楚，集万千宠爱于一身。

在钙钛矿风光无限的这几年里，硅太阳能电池虽然仍然是光伏市场的大佬，但是俨然没有了老大的威风，霸主地位随时感觉可能被人取代。正所谓“世风日下，今不如昔”，硅太阳能电池这些年稳打稳扎，终究还是在一片暗淡中杀出一条条血路，希望江山永固。

2019年7月3日， MIT的Marc A.Baldo研究团队在Nature发表论文，报道了一种提高硅太阳能电池效率的潜在方法，单结晶硅太阳能电池效率的理论限制有望从29%提高到35%。

他们在常规晶硅太阳能电池顶部涂覆一层超薄的氮氧化铪（hafnium oxynitride）涂层，然后在涂层上沉积一层较厚的并四苯材料。并四苯层吸收高能光子后产生单线态激子，这是一种具有零自旋磁矩的电子-空穴束缚态。单线态激子随后发生单线态裂变，产生两个三线态激子：自旋磁矩为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，电子和空穴扩散到器件底部的相应电学接触点，产生电流。

那么，问题来了！什么是单线态裂变呢？之前的研究人员没有想到这种方法吗？

单线态裂变是指一个吸收的高能光子裂变为一对低能激发的过程。单线态裂变策略不涉及额外的电接触，也不用改变太阳能电池的常规操作。长期以来，它一直被认为是一种简单而有效的避免热损失的潜在方法，可以用于设计出效率高达最先进设备效率1.4倍的硅太阳能电池。

并四苯是能够实现单线态裂变的最常见材料，可将（高能量）蓝光或绿光分裂成两个低能量激发。早在1979年，物理学家David Dexter就设想，在硅太阳能电池使用并四苯层，由单线态裂变产生的两个三线态激子可以通过有效地转移到太阳能电池中，从而使电流加倍，实现从太阳吸收蓝光和绿光。然而，这种机制必须通过超薄屏障才可以有效地发生；而且，这种屏障不能钝化硅的半导体表面，否则会导致功率损失。这使得具有良好导电性能的并四苯直接集成到高效太阳能电池中变得困难重重。

MarcA. Baldo研究团队巧妙地发现，由氮氧化铪制成的0.8 nm超薄钝化层可以解决以上难题。在此基础上，研究团队创造性地利用并四苯分子的单线态激子裂变方法使硅太阳能电池敏化，将高能激发分解成两个低能激发，避免了高能光子的热损失。后接触电池设计与超薄钝化层相结合，则是单线态裂变太阳能电池的关键。

虽然该技术依然存在诸多问题没有解决，但是，提高并四苯中单线态裂变的速率，最终实现晶硅太阳能电池效率超越30%似乎已经不远了。有朝一日，Dexter的梦想终将成为现实。

姜还是老的辣，这下，钙钛矿太阳能电池的霸主之位又远了一程~

参考文献：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02014-8

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1339-4

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