提高硅太阳能电池的效率

太阳能电池的效率是其最重要的参数之一。它表明辐射到电池中的太阳能的百分比转换成电能。由于物理材料特性，硅太阳能电池的理论极限为29.3%。柏林亥姆霍兹中心(HZB)的研究人员和国际同事在期刊Materials Horizo​​ns中描述了如何废除这一限制。诀窍：它们将有机分子层结合到太阳能电池中。这些层利用称为单线态激子裂变的量子力学过程来分裂某些高能光(绿色和蓝色光子)，使得太阳能电池的电流在该能量范围内可以加倍。

太阳能电池的原理很简单：每个入射光粒子(光子)产生一对由负电荷载流子和正电荷载流子(电子和空穴)组成的电荷载流子(激子)。这两个相反的电荷可以在半导体中自由移动。当它们到达电荷选择性电触点时，一个只允许正电荷通过，另一个只允许负电荷。因此产生直流电流，其可以由外部消费者使用。

围绕HZB研究员Klaus Lips教授的团队现在提供了一种解决方案来构建太阳能电池，使得某些高能光子同时用于产生两对电荷载流子。它们使用的效果存在于一些有机晶体中，被称为“单线态激子裂变”(SF)。为了使这种乘数效应成为可能，电荷载流子对必须满足某些量子物理条件：它们的所有自旋必须是平行的，意味着称为三重态激子的电荷载流子对。

这些三重态激子非常耐用并且非常牢固地结合在一起。面临的挑战是将它们与硅片接口分开。这解除了正负电荷载流子的作用，使它们能够为太阳能电池的电流做出贡献。

在一项开创性的实验中，研究人员已经证明分裂是可能的。“通过成功实施这一概念，我们可以制造出最大量子效率为200%(正常极限的两倍)的硅太阳能电池，理论效率极限约为40%，”澳大利亚研究员Rowan MacQueen博士说。两年前加入HZB团队，并在HZB实现了载流子倍增器太阳能电池。

在最近报道的工作中，HZB研究人员将100纳米厚的单线态裂变能力的并四苯晶体层集成到硅太阳能电池的表面。使用光谱研究，检测到薄的四氢萘层中的三重态电荷载流子对，这是单线态裂变的特征。“挑战在于将硅界面处的三重线对分开而不会显着破坏硅太阳能电池的电流，”Klaus Lips解释说，因为导电性差的硅层与导电硅层接壤，这种情况可能会严重阻碍当前的流量。

用另外引入的有机导体PEDOT：PSS进行分裂成功，这意味着需要另一个有机层。“接口在这种结构中起着特殊的作用，”MacQueen博士说，这就是为什么研究人员使用BESSY II @ HZB同步加速器的X射线光来研究界面特性。然后，他们制造了一系列工作的并四苯 - 硅太阳能电池。一个关键的发现是有机层的添加不会妨碍硅电池的电性能，这对于生产有效的器件至关重要。

第一硅单线态裂变太阳能电池的电性能表明，并四苯吸收光的蓝绿色部分，而低能光子被硅吸收。通过模拟，研究人员能够估计，目前在并四苯层中产生的三重态对中约有5-10%可以加到输出功率上。

对于Klaus Lips来说，这是一个巨大的成功，但他已经在考虑后续实验：“通过这种太阳能电池结构，我们已经证明该方法原则上是有效的，并且提供了一个主力设计。我们已经知道我们要做什么将分离的三重态激子的产率提高到200%。“