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編者按：人類一直在通過各種方式利用太陽的巨大能量。1979年，物理學(xué)家David Dexter提出并四苯層可用于硅太陽能電池頂部。目前，Einzinger及其同事所開發(fā)的太陽能電池的效率相對(duì)較低，整體設(shè)計(jì)也還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。人們已經(jīng)開始研究有效三重激子是如何向硅轉(zhuǎn)移的，Dexter的夢想很有可能成為現(xiàn)實(shí)。

數(shù)千年來，人類一直在通過各種方式利用太陽的巨大能量。地球上任一時(shí)刻接收的太陽能總量約為1017瓦，而全球電力需求約為1012瓦。盡管太陽能似乎無處不在，但在美國僅有1.3%的電力是由太陽能提供的。因此，太陽能電池產(chǎn)業(yè)仍有巨大的增長機(jī)會(huì)，能為世界人口提供清潔和可再生能源。巨大的經(jīng)濟(jì)潛能推動(dòng)了能源領(lǐng)域的發(fā)展。為了更好地利用太陽能，研究人員不斷致力于使這些太陽能設(shè)備更耐用，更有效地將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。在今天《自然》雜志的一篇文章中，Einzinger等提出了一種提高太陽能電池效率的潛在方法。

在不提升技術(shù)或成本的情況下，想要實(shí)現(xiàn)高度優(yōu)化的太陽能電池效率，難度很大，但這是一個(gè)潛在的變革目標(biāo)，值得繼續(xù)推進(jìn)。硅太陽能電池目前在市場上占主導(dǎo)地位，但電池的轉(zhuǎn)化效率限制很大。1961年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)太陽能電池最明顯的缺陷是高能光子會(huì)產(chǎn)生不必要的熱量。因此，傳統(tǒng)的硅太陽能電池只能將30%的太陽能輻射轉(zhuǎn)化成電能，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能說完美。克服這一障礙的策略包括：將不同的太陽能電池串聯(lián)成組件，或者在轉(zhuǎn)換成電能之前找到分離光子能量的方法。

Einzinger及其同事發(fā)現(xiàn)，太陽能高能光子的吸收過程會(huì)產(chǎn)生高能激發(fā)效應(yīng)，而在分子層可以把高能激發(fā)效應(yīng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)低能激發(fā)效應(yīng)，然后通過精心設(shè)計(jì)的界面轉(zhuǎn)移到硅太陽能電池中，在那里進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電能。整個(gè)過程不需要額外的電流接觸，也無需改變太陽能電池本身的操作內(nèi)容。這將大大減少太陽能熱量的損耗，也將有利于太陽能硅電池提升發(fā)電效率，可以達(dá)到目前最高電池效率的1.4倍水平。
圖說：在Einzinger等人報(bào)道的實(shí)驗(yàn)中，硅太陽能電池的頂部表面被氮氧化鉿的超薄涂層覆蓋，涂層頂部沉積著一層并四苯的材料。并四苯層吸收高能光子，產(chǎn)生單重態(tài)激子，即電子的束縛狀態(tài)和具有零自旋(磁矩)的空穴(電子空位)。該單重態(tài)激子經(jīng)過一個(gè)單線態(tài)裂變的過程后，產(chǎn)生兩個(gè)三重態(tài)激子，呈現(xiàn)出1個(gè)自旋的電子和電子空位的配對(duì)形態(tài)。接下來，這些激子通過氮氧化鉿轉(zhuǎn)移到太陽能電池中。最后，電子和電子空位擴(kuò)散到器件底部相應(yīng)的電觸點(diǎn)，完成了產(chǎn)生電流的整個(gè)過程。

從一個(gè)吸收的光子形成一對(duì)低能激發(fā)效應(yīng)的過程，稱為“單線態(tài)裂變”，這種機(jī)制吸引了人們的興趣，主要是因?yàn)樗锌赡茉黾犹柲苣芰康奈?。能?shí)現(xiàn)單線態(tài)裂變的原材料是結(jié)晶并四苯，這種材料將(高能量的)藍(lán)光或綠光分成兩個(gè)激發(fā)形式，其能量類似于硅的最低能量激發(fā)。這種能量匹配使得并四苯和硅成為單線態(tài)裂變產(chǎn)物轉(zhuǎn)移的潛在理想載體。研究人員之前使用并四苯和硅太陽能電池的組合，來尋找單線態(tài)裂變引發(fā)效率增強(qiáng)的證據(jù)，但是并不清楚將低能激發(fā)轉(zhuǎn)移到太陽能電池中的關(guān)鍵步驟。

在單線態(tài)裂變中，高能激發(fā)是單重態(tài)激子，處于電子和電子空位的束縛狀態(tài)，電子空位具有零磁矩(即零自旋)。低能激發(fā)是三重態(tài)激子，即電子—空穴組合，其自旋為1。與它們的單重態(tài)對(duì)應(yīng)物不同，由于量子力學(xué)自旋選擇規(guī)則，三重態(tài)激子不能通過輻射的方式返回基本狀態(tài)。該限制延長了它們的壽命，但是抑制了共同的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，否則該能量轉(zhuǎn)移就能夠通過例如厚的鈍化層(保護(hù)太陽能電池表面免受污染的惰性材料)進(jìn)行激發(fā)的長程轉(zhuǎn)移。

1979年，物理學(xué)家David Dexter提出并四苯層可用于硅太陽能電池頂部。他設(shè)想由單線裂變產(chǎn)生的兩個(gè)三重態(tài)激子可以通過激發(fā)過程，有效地轉(zhuǎn)移到太陽能電池中，電池通過吸收太陽光中的藍(lán)色光和綠色光，進(jìn)而使產(chǎn)生的電流得到加倍。

然而，這種機(jī)制只具有短程特點(diǎn)，并且只有通過超薄屏障時(shí)才能有效地發(fā)生。這種屏障通常不足以鈍化諸如硅的半導(dǎo)體表面，導(dǎo)致功率損失，使單線態(tài)裂變的有益效果無法體現(xiàn)出來。雖然具備光學(xué)特性的并四苯是這種能量轉(zhuǎn)移過程的理想載體，但因?yàn)樗娦阅懿缓?，使它很難直接集成到高效太陽能電池中。

目前，Einzinger及其同事所開發(fā)的太陽能電池的效率相對(duì)較低，整體設(shè)計(jì)也還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。氮氧化鉿能夠使硅表面鈍化，但前幾個(gè)注入的電子和電子空穴會(huì)首先填充硅表面的缺陷，然后進(jìn)入到太陽能電池中。這一發(fā)現(xiàn)表明硅的表面仍然不完美，但仍然顯示了這種策略在太陽能電池運(yùn)行中是可用的。另外，目前的理論還沒能很好地描述三重態(tài)激子轉(zhuǎn)移的機(jī)制，以及它進(jìn)行加速的原因。盡管如此，人們已經(jīng)開始研究有效三重激子是如何向硅轉(zhuǎn)移的，假以時(shí)日，Dexter的夢想很有可能成為現(xiàn)實(shí)。

原標(biāo)題：1.4倍效率！新的太陽能電池轉(zhuǎn)化方法被提出