雖然傳統(tǒng)硅電池的絕對理論最大效率約為太陽能轉(zhuǎn)換率的29.1%，但麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員在過去幾年中開發(fā)的新方法可能會突破這一限制，可能會增加幾個百分點達到最大值。輸出。今天在自然雜志上發(fā)表了研究結(jié)果，研究生Markus Einzinger，化學(xué)教授Moungi Bawendi，電氣工程和計算機科學(xué)教授Marc Baldo，以及麻省理工學(xué)院和普林斯頓大學(xué)的其他八位論文。

這項新技術(shù)背后的基本概念已為人所知數(shù)十年，六年前該團隊的一些成員首次證明該原則可行。但實際上，將這種方法轉(zhuǎn)化為完整的，可操作的硅太陽能電池需要多年的努力，Baldo說。

最初的示范“是一個很好的測試平臺”，表明這個想法可以起作用，現(xiàn)在哈佛大學(xué)羅蘭學(xué)院的校友Daniel Congreve博士解釋說，他是前一份報告的主要作者，也是合著者。新論文 他說，現(xiàn)在，隨著新的結(jié)果，“我們已經(jīng)完成了我們打算做的事情”。

最初的研究證明了從一個光子產(chǎn)生兩個電子，但它在有機光伏電池中產(chǎn)生了這一點，這種效率低于硅太陽能電池。事實證明，將兩個電子從由四氫萘制成的頂部收集層轉(zhuǎn)移到硅電池中“并不簡單，”Baldo說。麻省理工學(xué)院化學(xué)教授特洛伊·范沃里斯(Troy Van Voorhis)是原始團隊的一員，他指出這個概念最早是在20世紀70年代提出的，并且諷刺地說，將這個想法變成一個實用的設(shè)備“只用了40年”。

將一個光子的能量分成兩個電子的關(guān)鍵在于一類具有稱為激子的“激發(fā)態(tài)”的材料，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”，但與電子的性質(zhì)完全不同。“你可以用它們來改變能量 - 你可以將它們切成兩半，你就可以將它們結(jié)合起來。” 在這種情況下，他們正在經(jīng)歷一個叫做單線態(tài)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。該材料首先吸收光子，形成激子，該激子迅速經(jīng)歷裂變成兩個激發(fā)態(tài)，每個激發(fā)態(tài)具有原始狀態(tài)的一半能量。

但棘手的部分是將能量耦合到硅中，硅是一種非激子的材料。以前從未完成過這種耦合。

作為一個中間步驟，該團隊嘗試將來自激子層的能量耦合到稱為量子點的材料中。“它們?nèi)匀皇桥d奮劑，但它們是無機的，”巴爾多說。“這很有效;它就像一個魅力，”他說。他說，通過了解該材料中發(fā)生的機制，“我們沒有理由認為硅不會起作用。”

Van Voorhis說，這項工作表明，這些能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵在于材料的表面，而不是它的體積。“因此很明顯硅上的表面化學(xué)變得非常重要。這就決定了那種表面狀態(tài)。” 他表示，對表面化學(xué)的關(guān)注可能是讓這支球隊在別人沒有的情況下取得成功的原因。

關(guān)鍵是在一個薄的中間層。“事實證明，這兩個系統(tǒng)之間的界面上的微小的微小材料條帶[硅太陽能電池和具有激子特性的并四苯層]最終定義了一切。這就是為什么其他研究人員無法使這個過程起作用的原因，為什么我們最終做到了。“ 他說，通過使用一層名為鉿氧氮化物的材料，Einzinger“終于破解了這種堅果”。

Baldo說，這層只有幾個原子厚，或者只有8埃(十億分之一米)，但它對于興奮狀態(tài)來說是一個“漂亮的橋梁”。這最終使得單個高能光子可以觸發(fā)硅電池內(nèi)的兩個電子的釋放。這使得光譜的藍色和綠色部分中給定量的太陽光產(chǎn)生的能量增加一倍?？偟膩碚f，這可以使太陽能電池產(chǎn)生的功率增加 - 從理論最大值29.1%到最高約35%。

實際的硅電池尚未達到最大值，新材料也不存在，因此需要進行更多的開發(fā)，但現(xiàn)在已經(jīng)證明了有效耦合這兩種材料的關(guān)鍵步驟。“我們?nèi)孕枰獮檫@一過程優(yōu)化硅電池，”Baldo說。首先，對于新系統(tǒng)，這些單元可以比當前版本更薄。還需要完成穩(wěn)定材料的工作以確保耐用性。該團隊表示，總體而言，商業(yè)應(yīng)用可能還需要幾年時間。

提高太陽能電池效率的其他方法傾向于在硅上添加另一種電池，例如鈣鈦礦層。Baldo說“他們正在建造一個電池。從根本上說，我們正在制造一個電池 - 我們對硅電池進行渦輪增壓。我們正在向硅片添加更多電流，而不是制造兩個電池“。

研究人員測量了氮氧化鉿的一個特殊性質(zhì)，它可以幫助它轉(zhuǎn)移激子能量。“我們知道氮化鉿會在界面處產(chǎn)生額外的電荷，通過稱為電場鈍化的過程減少損耗。如果我們能夠更好地控制這種現(xiàn)象，效率可能會提高甚至更高。” Einzinger說。到目前為止，他們測試的其他材料都無法與其屬性相匹配。

該研究得到了美國能源部資助的麻省理工學(xué)院激勵中心的支持。