新材料大幅提升太阳能电池量子效率

以新材料作为活性层的薄膜太阳能电池示意图。图片来源：理海大学

据最新一期《科学进展》杂志报道，美国理海大学研究人员开发出一种新材料，可大幅提高太阳能电池板效率。使用该材料作为太阳能电池活性层的原型表现出80%的平均光伏吸收率、高光生载流子生成率以及高达190%的外量子效率(EQE)。这一指标远远超过了突破硅基材料的肖克利-奎瑟理论效率极限，并将光伏量子材料领域推向新高度。

研究人员表示，这项工作代表着在理解和开发可持续能源解决方案的一次重大飞跃。未来，这种创新方法将重新定义太阳能的效率和可及性。

该材料效率的提升很大程度上归因于独特的“中间能带态”，即位于材料电子结构内的特定能级。这使其成为太阳能转换的理想选择。

这些态的能级处于最佳子带隙内(材料可有效吸收太阳光并产生载流子的能量范围)，约为0.78至1.26电子伏特。此外，该材料在电磁波谱的红外和可见光区域具有高吸收水平。

在传统太阳能电池中，最大EQE为100%，代表从太阳光吸收的每个光子产生并收集一个电子。然而，过去几年开发的一些先进材料和结构已经证明能够从高能光子中产生和收集多个电子，也就是说EQE可以超过100%。虽然这种多重激子产生材料尚未广泛商业化，但它们具有极大提高太阳能系统效率的潜力。

在新材料中，“中间能带态”能够捕获传统太阳能电池失去的光子能量。研究人员利用“范德华间隙”，即层状二维材料之间的原子级小间隙，开发了这种新型材料。这些间隙可以限制分子或离子，材料科学家通常使用它们来插入或嵌入其他元素，以调整材料特性。

为了开发新材料，研究人员将零价铜原子插入到由硒化锗和硫化锡组成的二维材料层之间。随后，他们开发出可作为概念证明的原型。结果发现，其快速响应和提高效率有力地证明了铜插层作为量子材料在光伏应用中的潜力，这为提高太阳能转换效率提供了一条新途径。