虽然传统硅电池的绝对理论最大效率约为太阳能转换率的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，可能会增加几个百分点达到最大值。输出。今天在自然杂志上发表了研究结果，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位论文。
这项新技术背后的基本概念已为人所知数十年，六年前该团队的一些成员首次证明该原则可行。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。
最初的示范“是一个很好的测试平台”，表明这个想法可以起作用，现在哈佛大学罗兰学院的校友Daniel Congreve博士解释说，他是前一份报告的主要作者，也是合着者。新论文 他说，现在，随着新的结果，“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产生两个电子，但它在有机光伏电池中产生了这一点，这种效率低于硅太阳能电池。事实证明，将两个电子从由四氢萘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，并且讽刺地说，将这个想法变成一个实用的设备“只用了40年”。
将一个光子的能量分成两个电子的关键在于一类具有称为激子的“激发态”的材料，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，你就可以将它们结合起来。” 在这种情况下，他们正在经历一个叫做单线态激子裂变的过程，这就是光的能量如何分裂成两个独立的，独立移动的能量包。该材料首先吸收光子，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。“它们仍然是兴奋剂，但它们是无机的，”巴尔多说。“这很有效;它就像一个魅力，”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。“因此很明显硅上的表面化学变得非常重要。这就决定了那种表面状态。” 他表示，对表面化学的关注可能是让这支球队在别人没有的情况下取得成功的原因。
关键是在一个薄的中间层。“事实证明，这两个系统之间的界面上的微小的微小材料条带[硅太阳能电池和具有激子特性的并四苯层]最终定义了一切。这就是为什么其他研究人员无法使这个过程起作用的原因，为什么我们最终做到了。“ 他说，通过使用一层名为铪氧氮化物的材料，Einzinger“终于破解了这种坚果”。
Baldo说，这层只有几个原子厚，或者只有8埃(十亿分之一米)，但它对于兴奋状态来说是一个“漂亮的桥梁”。这最终使得单个高能光子可以触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中给定量的太阳光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%到最高约35%。
实际的硅电池尚未达到最大值，新材料也不存在，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。“我们仍需要为这一过程优化硅电池，”Baldo说。首先，对于新系统，这些单元可以比当前版本更薄。还需要完成稳定材料的工作以确保耐用性。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上添加另一种电池，例如钙钛矿层。Baldo说“他们正在建造一个电池。从根本上说，我们正在制造一个电池 - 我们对硅电池进行涡轮增压。我们正在向硅片添加更多电流，而不是制造两个电池“。
研究人员测量了氮氧化铪的一个特殊性质，它可以帮助它转移激子能量。“我们知道氮化铪会在界面处产生额外的电荷，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，效率可能会提高甚至更高。” Einzinger说。到目前为止，他们测试的其他材料都无法与其属性相匹配。
该研究得到了美国能源部资助的麻省理工学院激励中心的支持。
