氮氧化铪使光电转换翻倍 未来可提高太阳能电池转换效率

作者：MassachusettsInstituteofTechnology

在任何传统的硅基太阳能电池中，总效率都有一个绝对的限制，部分原因是光的每一个光子只会与一个电子发生碰撞，即使这个光子携带的能量是需要的两倍。但是现在，研究人员已经证明了一种让高能光子撞击硅来激发两个电子而不是一个电子的方法，这为新型太阳能电池打开了一扇门，其效率比人们想象的要高。

虽然传统的硅电池理论上的太阳能转换效率最高约为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突破这一限制，可能会给最大产量增加几个百分点。研究生MarkusEinzinger、化学教授MoungiBawendi、电气工程和计算机科学教授MarcBaldo以及麻省理工学院和普林斯顿大学的其他八位教授在《自然》杂志上发表了一篇论文。

这项新技术背后的基本概念已经存在几十年了，直到六年前，这个团队的一些成员首次证明了这项原则是可行的。但实际上，将这种方法转化为一种完整的、可操作的硅太阳能电池需要多年的努力，Baldo说。

最初的演示“是一个很好的测试平台”，证明这个想法是可行的。丹尼尔·康格里夫博士解释说，他现在是哈佛大学罗兰研究所的一名校友，是之前报告的主要作者，也是这篇新论文的合著者。现在，有了新的结果，“我们已经完成了我们计划要做的事情”，他说。

最初的研究证明了从一个光子中产生两个电子，但它是在有机光伏电池中实现的，这比硅太阳能电池效率低。Baldo说，事实证明，将这两个电子从由四烯组成的顶层收集层转移到硅电池“并不简单”。麻省理工学院的化学教授TroyvanVoorhis是最初团队的一员，他指出这个概念最初是在20世纪70年代提出的，并讽刺地说，把这个想法变成一个实用的装置“只花了40年时间”。

把一个光子的能量分裂成两个电子的关键在于一类具有“激发态”的材料，称为激子，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，但其性质与电子完全不同。你可以用它们来改变能量——你可以把它们切成两半，也可以把它们结合起来。在这种情况下，它们经历了一个叫做单态激子裂变的过程，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。物质首先吸收一个光子，形成一个激子，它迅速地裂变成两个激发态，每个激发态的能量都是原始态的一半。

但棘手的部分是将能量耦合到硅中，硅是一种非激发态材料。这种联接以前从未完成过。

作为一个中间步骤，研究小组尝试将激子层的能量耦合成一种叫做量子点的物质。他们仍然是兴奋性的，但他们是无机的。他说：“这起作用了，就像一种魅力。”他说，通过理解这种材料中发生的机制，“我们没有理由认为硅不会起作用。”

vanVoorhis说，这项研究表明，这些能量转移的关键在于材料的表面，而不是其体积。所以很明显，硅的表面化学性质是很重要的。这正是决定表面状态的因素。他建议，这种对表面化学的关注可能是让这个团队在其他团队没有的地方取得成功的原因。

关键在于这层薄薄的中间层。“事实证明，在这两个系统（硅太阳能电池和具有兴奋性的四烯层）之间的界面上，这条微小的物质带最终决定了一切。这就是其他研究人员无法使这一过程起作用的原因，也是我们最终做到这一点的原因。“是Einzinger最终破解了壁垒，通过使用一种被称为氮氧化铪的材料。

Baldo说，这个层只有几个原子厚，或者只有8埃（10亿分之一米），但它对激发态起到了“很好的桥梁”的作用。最终使得单个高能光子能够触发硅电池内两个电子的释放。它产生的能量是光谱中蓝色和绿色部分中给定数量的阳光所产生能量的两倍。总的来说，这可能会增加太阳能电池的发电量，从理论上的最大值29.1%最大增加到35%。

实际中的硅电池还没有达到最大值，而且新材料也没有达到最大值，因此需要进行更多的开发，但是有效地耦合这两种材料的关键步骤现已得到证明。“我们仍然需要为这个过程优化硅电池。”Baldo说。首先，在新系统中，这些电池可以比当前版本的电池薄。还需要做一些工作来稳定材料的耐久性。总体而言，商业应用程序可能还有几年的时间，该团队说。

其他提高太阳能电池效率的方法往往包括在硅上添加另一种电池，如钙钛矿层。Baldo说：“他们正在一个细胞上建立另一个细胞。从根本上说，我们正在制造一个电池——我们正在对硅电池进行涡轮增压。我们在硅中加入更多的电流，而不是制造两个电池。”

研究人员测量了氮氧化铪的一种特殊性质，它有助于转移激发能。”我们知道，氮氧化铪在界面上产生附加电荷，它会通过一个叫做电场钝化的过程减少损耗。如果我们能更好地控制这一现象，效率可能会更高。”Einzinger说。到目前为止，他们测试过的其他材料都不能与它的性能相匹配。

这项研究是麻省理工学院激发电子学的一部分，由美国能源部资助。