太陽(yáng)能電池的效率是其最重要的參數(shù)之一。它表明輻射到電池中的太陽(yáng)能的百分比轉(zhuǎn)換成電能。由于物理材料特性，硅太陽(yáng)能電池的理論極限為29.3%。柏林亥姆霍茲中心(HZB)的研究人員和國(guó)際同事在期刊Materials Horizo??ns中描述了如何廢除這一限制。訣竅：它們將有機(jī)分子層結(jié)合到太陽(yáng)能電池中。這些層利用稱(chēng)為單線(xiàn)態(tài)激子裂變的量子力學(xué)過(guò)程來(lái)分裂某些高能光(綠色和藍(lán)色光子)，使得太陽(yáng)能電池的電流在該能量范圍內(nèi)可以加倍。

太陽(yáng)能電池的原理很簡(jiǎn)單：每個(gè)入射光粒子(光子)產(chǎn)生一對(duì)由負(fù)電荷載流子和正電荷載流子(電子和空穴)組成的電荷載流子(激子)。這兩個(gè)相反的電荷可以在半導(dǎo)體中自由移動(dòng)。當(dāng)它們到達(dá)電荷選擇性電觸點(diǎn)時(shí)，一個(gè)只允許正電荷通過(guò)，另一個(gè)只允許負(fù)電荷。因此產(chǎn)生直流電流，其可以由外部消費(fèi)者使用。

圍繞HZB研究員Klaus Lips教授的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在提供了一種解決方案來(lái)構(gòu)建太陽(yáng)能電池，使得某些高能光子同時(shí)用于產(chǎn)生兩對(duì)電荷載流子。它們使用的效果存在于一些有機(jī)晶體中，被稱(chēng)為“單線(xiàn)態(tài)激子裂變”(SF)。為了使這種乘數(shù)效應(yīng)成為可能，電荷載流子對(duì)必須滿(mǎn)足某些量子物理?xiàng)l件：它們的所有自旋必須是平行的，意味著稱(chēng)為三重態(tài)激子的電荷載流子對(duì)。

這些三重態(tài)激子非常耐用并且非常牢固地結(jié)合在一起。面臨的挑戰(zhàn)是將它們與硅片接口分開(kāi)。這解除了正負(fù)電荷載流子的作用，使它們能夠?yàn)樘?yáng)能電池的電流做出貢獻(xiàn)。

在一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)中，研究人員已經(jīng)證明分裂是可能的。“通過(guò)成功實(shí)施這一概念，我們可以制造出最大量子效率為200%(正常極限的兩倍)的硅太陽(yáng)能電池，理論效率極限約為40%，”澳大利亞研究員Rowan MacQueen博士說(shuō)。兩年前加入HZB團(tuán)隊(duì)，并在HZB實(shí)現(xiàn)了載流子倍增器太陽(yáng)能電池。

在最近報(bào)道的工作中，HZB研究人員將100納米厚的單線(xiàn)態(tài)裂變能力的并四苯晶體層集成到硅太陽(yáng)能電池的表面。使用光譜研究，檢測(cè)到薄的四氫萘層中的三重態(tài)電荷載流子對(duì)，這是單線(xiàn)態(tài)裂變的特征。“挑戰(zhàn)在于將硅界面處的三重線(xiàn)對(duì)分開(kāi)而不會(huì)顯著破壞硅太陽(yáng)能電池的電流，”Klaus Lips解釋說(shuō)，因?yàn)閷?dǎo)電性差的硅層與導(dǎo)電硅層接壤，這種情況可能會(huì)嚴(yán)重阻礙當(dāng)前的流量。

用另外引入的有機(jī)導(dǎo)體PEDOT：PSS進(jìn)行分裂成功，這意味著需要另一個(gè)有機(jī)層。“接口在這種結(jié)構(gòu)中起著特殊的作用，”MacQueen博士說(shuō)，這就是為什么研究人員使用BESSY II @ HZB同步加速器的X射線(xiàn)光來(lái)研究界面特性。然后，他們制造了一系列工作的并四苯 - 硅太陽(yáng)能電池。一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是有機(jī)層的添加不會(huì)妨礙硅電池的電性能，這對(duì)于生產(chǎn)有效的器件至關(guān)重要。

第一硅單線(xiàn)態(tài)裂變太陽(yáng)能電池的電性能表明，并四苯吸收光的藍(lán)綠色部分，而低能光子被硅吸收。通過(guò)模擬，研究人員能夠估計(jì)，目前在并四苯層中產(chǎn)生的三重態(tài)對(duì)中約有5-10%可以加到輸出功率上。

對(duì)于Klaus Lips來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的成功，但他已經(jīng)在考慮后續(xù)實(shí)驗(yàn)：“通過(guò)這種太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，我們已經(jīng)證明該方法原則上是有效的，并且提供了一個(gè)主力設(shè)計(jì)。我們已經(jīng)知道我們要做什么將分離的三重態(tài)激子的產(chǎn)率提高到200%。“