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，部分原因是每个光子只能释放一个电子，即使这个光子携带的能量是释放电子所需能量的两倍。但现在，欧亿客服研究人员已经证明了一种方法，可以让高能光子撞击硅，以踢出两个而不是一个电子，从而为一种新型太阳能电池打开了大门，这种电池的效率比人们原先认为的要高。

 

虽然传统硅电池理论上的绝对最高效率约为29.1%，但麻省理工学院(MIT)和其他地方的研究人员在过去几年里开发的新方法，可能会突破这一极限，为这一最高产量增加几个百分点。研究结果发表在今天出版的《自然》杂志上，由研究生马库斯·艾辛格、化学教授穆吉·巴文迪、电气工程和计算机科学教授马克·巴尔多以及麻省理工学院和普林斯顿大学的其他8位教授共同撰写。

 

这项新技术背后的基本概念已经为人所知几十年了，这个小组的一些成员在六年前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个完整的、可运行的硅太阳能电池需要多年的艰苦工作，巴尔多说。

 

Daniel Congreve博士解释说， 登录杏耀手机客户端，最初的演示“是一个很好的测试平台”，欧亿证明了这个想法是可行的。现在，有了新的结果，“我们已经完成了我们在那个项目中开始做的事情，”他说。

 

最初的研究证明了一个光子可以产生两个电子，但它是在有机光伏电池中实现的，而有机光伏电池的效率低于硅太阳能电池。事实证明，将这两个电子从一个由四烯构成的顶部收集层转移到硅电池“并不简单，”巴尔多说。麻省理工学院的化学教授Troy Van Voorhis是最初团队的成员之一，他指出，这个概念最早是在20世纪70年代提出的，他挖苦地说，把这个想法变成一个实用的设备“只用了40年”。

 

将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”的被称为激子的材料，巴尔多说:在这些激子材料中，“这些能量包像电路中的电子一样四处传播”，但它们的性质与电子截然不同。“你可以用它们来改变能量——你可以把它们切成两半，你可以把它们结合起来。”在这种情况下，它们经历了一个称为单线态激子裂变的过程，这是光的能量如何分裂成两个独立的、独立运动的能量包的过程。这种材料首先吸收一个光子，形成一个激子，激子迅速分裂成两种激发态，每一种激发态的能量都只有原始状态的一半。

 

但棘手的部分是将能量耦合到硅中，硅是一种非激子材料。这种耦合以前从未实现过。

 

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。“它们仍然是激子，但它们是无机的，”巴尔多说。“那工作;它就像一个魔咒，”他说。他说，通过了解这种材料中发生的机理，“我们没有理由认为硅不会起作用。”

 

Van Voorhis说，这项研究表明，这些能量转移的关键在于材料的表面，而不是它的体积。“所以很明显，硅的表面化学将会很重要。这将决定有什么样的表面状态。”他认为，对表面化学的关注可能是这个团队成功的原因，而其他人没有做到这一点。

 

关键在于薄薄的中间层。“事实证明，在这两个系统(硅太阳能电池和具有激子特性的四烯层)之间的界面上，这条非常非常小的物质带最终决定了一切。这就是为什么其他研究人员不能让这个过程发挥作用，而我们最终做到了。”他说，正是Einzinger“最终打破了这个僵局”， 杏耀的体会 ，他使用了一层叫做氧化氮化铪的材料。

 

这个层只有几个原子那么厚，或者说只有8埃(一米的100亿分之一)，但是它对激发态起着“很好的桥梁”的作用，巴尔多说。这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的两倍。总的来说，这将使太阳能电池的发电量从理论上的29.1%增加到35%。

 

实际的硅电池还没有达到它们的最大值，新材料也没有，所以需要做更多的开发，但是现在已经证明了有效耦合这两种材料的关键步骤。“我们仍然需要优化硅电池的这个过程，”巴尔多说。首先，有了新系统，这些细胞可以比目前的版本更薄。还需要做的工作，以稳定材料的耐久性。总的来说，商业应用可能还需要几年的时间，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。巴尔多说:“他们正在一个细胞上建造另一个细胞。从根本上说，我们正在制造一个电池——我们正在给硅电池增压。我们在硅中加入了更多的电流，而不是制造两个电池。”

 

研究人员测量了氧化氮化铪的一种特殊性质，这种性质有助于它传递激子能量。“我们知道氧化氮化铪在界面上产生额外的电荷，通过电场钝化降低损耗。如果我们能更好地控制这种现象，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无法与之媲美。

 

这项研究是麻省理工学院激电中心的一部分，由美国能源部资助。