麻省理工学院的科学家开发基于单线态激子裂变的硅太阳能电池

单线态激子裂变是在某些材料中观察到的一种效应，即单个光子被太阳能电池(而非通常的太阳能电池)吸收时，可以产生两个电子空穴对。早在20世纪70年代，科学家就观察到了这种效应，尽管在过去十年中，它已成为一些世界领先机构的重要研究领域，但将其转化为可行的太阳能电池却十分复杂。

单线态裂变太阳能电池可以从一个光子产生两个电子，从而提高电池效率。这是通过量子力学过程实现的，其中一个单线态激子(电子空穴对)分裂成两个三线态激子。

到目前为止，我们只有间接证据表明单重态激子裂变可以与硅耦合，该研究的通讯作者马克A巴尔多(Marc A. Baldo)告诉《光伏》杂志。我们的突破在于设计出一种界面，可以将电子和空穴依次转移到硅中，而不是同时转移到两者中。

在最近发表于《焦耳》杂志上的研究成果《激子裂变增强硅太阳能电池》中，研究人员解释说，他们设计并构建了一种微线(MW)电池，其界面基于氮氧化铪(HfOxNy)薄膜，以改善四苯并菲(Tc)与硅之间的耦合。Tc及其衍生物是激子裂变增强硅太阳能电池的主要候选材料，因为它们可以形成电荷转移和多激子态。

该界面还包含一层薄氧化铝 (AlO x ) 钝化层，用于防止转移的载流子在硅表面立即复合，以及一层作为电子给体材料的锌酞菁 (ZnPc) 层。为了最大限度地减少背面的复合，我们添加了一个结深为 1 m 的背表面场 (BSF) 层和一个局部背接触，科学家们说道。我们采用微网格电极作为正面电极，以有效地收集载流子。

研究人员对电池性能进行了一系列测量，发现在设备上沉积ZnPc和Tc可以改变短路电流密度，而开路电压和填充因子的下降可以忽略不计，从而整体提高功率转换效率。

分析还表明，四苯并菲吸收的每个光子的峰值电荷产生效率约为 138%，科学家表示，这轻松超过了传统硅太阳能电池的量子效率极限。

这项技术将与硅基钙钛矿等双结概念展开竞争，巴尔多解释道。将激子裂变与硅相结合，可以避免电流匹配的限制，而且这种方法有望实现在不同光照条件下的稳定性，并具备单结的典型简单性。它还有很长的路要走。最重要的是，我们需要提高效率，并证明这项技术在阳光下也能保持稳定。

在硅太阳能电池中观察到激子裂变产生的光电流，证明了与单重态激子裂变耦合是提高硅太阳能电池效率的可行途径，巴尔多总结道。我认为我们现在可以宣称，激子裂变是新型太阳能电池技术竞争中一个真正的有力竞争者。

2023年，麻省理工学院和弗吉尼亚大学的研究人员宣布，计划将并苯(一种具有独特光电特性的苯分子)用于单线态裂变太阳能电池。他们的方法是将碳二碳烯配体添加到已经掺杂硼和氮的并苯中。

2019年，麻省理工学院的另一个研究小组展示了如何将单重态激子裂变应用于硅太阳能电池，并可使电池效率高达35%。他们声称自己是第一个将这种效应从已知具有这种效应的激子材料(也就是四苯并菲)中转移出来的研究小组。他们通过在硅太阳能电池和激子四苯并菲层之间添加一层厚度仅为几个原子的氮氧化铪来实现这一壮举。

麻省理工学院的研究人员将他们的研究描述为涡轮增压硅太阳能电池，并表示这与目前提高太阳能电池效率的最常见方法不同，后者目前更侧重于串联电池的概念。我们向硅片中注入了更多电流，而不是制造两个电池，他们当时表示。

资讯来源：外媒