在任何传统的硅基太阳能电池中，整体效率都存在一个绝对上限，部分原因在于每个光子只能击出一个电子，即使该光子所携带的能量是击出电子所需能量的两倍。而现在，研究人员已经演示了一种方法，使撞击硅的高能光子能够击出两个电子而非一个，为效率高于此前认为可能的新型太阳能电池打开了大门。
传统硅电池的绝对理论最高效率约为29.1%，即将太阳能转化为电能的比例。麻省理工学院及其他机构的研究人员在过去几年中开发的这一新方法，有望突破该上限，可能将最高输出功率提高数个百分点。相关研究结果今日发表于《自然》期刊，论文作者包括研究生Markus Einzinger、化学教授Moungi Bawendi、电气工程与计算机科学教授Marc Baldo，以及麻省理工学院和普林斯顿大学的另外八位研究人员。
这项新技术的基本概念已为人所知数十年，该原理能否奏效的首次演示由本团队的部分成员于六年前完成。但Baldo表示，要将该方法真正转化为完整、可运行的硅太阳能电池，耗费了数年的艰苦工作。
Daniel Congreve（2015年获博士学位）解释说，最初的演示“是一个很好的测试平台”，证明了这一设想是可行的。他现为哈佛大学Rowland研究所的校友，也是此前报告的第一作者，并且是新论文的合著者之一。他表示，借助新的研究成果，该项目中“我们已经完成了我们设定的目标”。
最初的研究证明了一个光子可以产生两个电子，但其所用的是有机光伏电池，其效率低于硅太阳能电池。事实证明，将两个电子从由并四苯构成的顶部收集层转移到硅电池中“并不简单”，Baldo表示。曾是原始团队成员的麻省理工学院化学教授Troy Van Voorhis指出，这一概念早在20世纪70年代就已被提出，他半开玩笑地说，将这一设想转化为实用器件“只用了40年”。
要将一个光子的能量分裂为两个电子，关键在于一类具有被称为“激子”的“激发态”的材料，Baldo表示：在这些激子材料中，“这些能量包沿着类似电路中电子的方式传播”，但其性质与电子颇为不同。“你可以用它们来转换能量，可以把它们一分为二，也可以把它们合并。”在本研究中，它们经历了一个称为单线态激子裂变的过程，即光的能量被分裂为两个独立运动的能量包。材料首先吸收一个光子，形成一个激子，该激子迅速发生裂变，分裂为两个激发态，每个激发态的能量为原始状态的一半。
但棘手之处在于，随后需要将这种能量耦合到硅中，而硅并非激子材料。此前从未有人实现过这种耦合。
作为中间步骤，团队尝试将激子层的能量耦合到一种称为量子点的材料中。“它们仍然是激子材料，但属于无机材料，”Baldo表示。“这奏效了，效果好极了，”他说。通过理解该材料中发生的机制，他表示，“我们没有理由认为硅不会奏效。”
Van Voorhis表示，这项工作表明，这些能量转移的关键在于材料的表面，而非其体相。“因此很明显，硅表面的化学性质将十分重要。这决定了将存在何种表面态。”他认为，正是对表面化学的关注，可能使该团队成功实现了其他团队未能实现的目标。
关键在于一层薄薄的中间层。“事实证明，这两个体系之间界面处的这一微小窄条材料[即硅太阳能电池与具有激子特性的并四苯层]决定了一切。这就是其他研究人员无法使该过程奏效，而我们最终做到了的原因。”他说，是Einzinger“最终攻克了这一难题”，其方法是使用一层名为氮氧化铪的材料。
该层仅有几个原子厚，即约8埃（百亿分之一米），但它充当了激发态的“良好桥梁”，Baldo表示。这最终使单个高能光子能够在硅电池内部触发两个电子的释放。这使得在太阳光谱的蓝光和绿光部分，相同光照量所产生的能量翻倍。总体而言，这可使太阳能电池的输出功率提升——从29.1%的理论最大值提高到约35%的最大值。
实际的硅电池尚未达到其最大效率，新材料也是如此，因此仍需进一步研发，但高效耦合这两种材料的关键一步现已得到验证。“我们仍需针对该过程优化硅电池，”Baldo表示。其中一点是，采用新体系后，这些电池可以比现有版本更薄。还需要开展材料稳定性研究以提高耐久性。团队表示，总体而言，商业化应用可能仍需数年时间。
其他提高太阳能电池效率的方法，往往是在硅电池之上添加另一种电池，例如钙钛矿层。Baldo表示：“它们是在一个电池之上再叠加一个电池。而我们的本质是只制造一个电池——我们某种程度上是在为硅电池加速。我们是在硅中增加电流，而不是制造两个电池。”
研究人员已经测量了氮氧化铪的一项特殊性质，该性质有助于其转移激子能量。“我们知道，氮氧化铪会在界面处产生额外的电荷，通过一种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一现象，效率可能会进一步提升。”Einzinger表示。截至目前，他们测试过的其他材料中，尚无一种能与其性能相媲美。
该研究作为麻省理工学院激子学中心的一部分获得支持，该中心由美国能源部资助。
