新材料大幅提升太陽能電池量子效率

以新材料作為活性層的薄膜太陽能電池示意圖。圖片來源：理海大學

據最新一期《科學進展》雜志報道，美國理海大學研究人員開發出一種新材料，可大幅提高太陽能電池板效率。使用該材料作為太陽能電池活性層的原型表現出80%的平均光伏吸收率、高光生載流子生成率以及高達190%的外量子效率（EQE）。這一指標遠遠超過了突破硅基材料的肖克利-奎瑟理論效率極限，并將光伏量子材料領域推向新高度。

研究人員表示，這項工作代表著在理解和開發可持續能源解決方案的一次重大飛躍。未來，這種創新方法將重新定義太陽能的效率和可及性。

該材料效率的提升很大程度上歸因于獨特的“中間能帶態”，即位于材料電子結構內的特定能級。這使其成為太陽能轉換的理想選擇。

這些態的能級處于最佳子帶隙內（材料可有效吸收太陽光并產生載流子的能量范圍），約為0.78至1.26電子伏特。此外，該材料在電磁波譜的紅外和可見光區域具有高吸收水平。

在傳統太陽能電池中，最大EQE為100%，代表從太陽光吸收的每個光子產生并收集一個電子。然而，過去幾年開發的一些先進材料和結構已經證明能夠從高能光子中產生和收集多個電子，也就是說EQE可以超過100%。雖然這種多重激子產生材料尚未廣泛商業化，但它們具有極大提高太陽能系統效率的潛力。

在新材料中，“中間能帶態”能夠捕獲傳統太陽能電池失去的光子能量。研究人員利用“范德華間隙”，即層狀二維材料之間的原子級小間隙，開發了這種新型材料。這些間隙可以限制分子或離子，材料科學家通常使用它們來插入或嵌入其他元素，以調整材料特性。

為了開發新材料，研究人員將零價銅原子插入到由硒化鍺和硫化錫組成的二維材料層之間。隨后，他們開發出可作為概念證明的原型。結果發現，其快速響應和提高效率有力地證明了銅插層作為量子材料在光伏應用中的潛力，這為提高太陽能轉換效率提供了一條新途徑。