雖然傳統硅電池的絕對理論最大效率約為太陽能轉換率的29.1%，但麻省理工學院和其他地方的研究人員在過去幾年中開發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表了研究結果，研究生Markus Einzinger，化學教授Moungi Bawendi，電氣工程和計算機科學教授Marc Baldo，以及麻省理工學院和普林斯頓大學的其他八位論文。

這項新技術背后的基本概念已為人所知數十年，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，現在哈佛大學羅蘭學院的校友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，現在，隨著新的結果，“我們已經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生兩個電子，但它在有機光伏電池中產生了這一點，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移到硅電池中“并不簡單，”Baldo說。麻省理工學院化學教授特洛伊·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備“只用了40年”。

將一個光子的能量分成兩個電子的關鍵在于一類具有稱為激子的“激發態”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，你就可以將它們結合起來。” 在這種情況下，他們正在經歷一個叫做單線態激子裂變的過程，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，該激子迅速經歷裂變成兩個激發態，每個激發態具有原始狀態的一半能量。

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。“它們仍然是興奮劑，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，這些能量轉移的關鍵在于材料的表面，而不是它的體積。“因此很明顯硅上的表面化學變得非常重要。這就決定了那種表面狀態。” 他表示，對表面化學的關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。

關鍵是在一個薄的中間層。“事實證明，這兩個系統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硅電池內的兩個電子的釋放。這使得光譜的藍色和綠色部分中給定量的太陽光產生的能量增加一倍。總的來說，這可以使太陽能電池產生的功率增加 - 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，但現在已經證明了有效耦合這兩種材料的關鍵步驟。“我們仍需要為這一過程優化硅電池，”Baldo說。首先，對于新系統，這些單元可以比當前版本更薄。還需要完成穩定材料的工作以確保耐用性。該團隊表示，總體而言，商業應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，它可以幫助它轉移激子能量。“我們知道氮化鉿會在界面處產生額外的電荷，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院激勵中心的支持。