單線態(tài)激子裂變是在某些材料中觀察到的一種效應(yīng)，即單個光子被太陽能電池(而非通常的太陽能電池)吸收時，可以產(chǎn)生兩個電子空穴對。早在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家就觀察到了這種效應(yīng)，盡管在過去十年中，它已成為一些世界領(lǐng)先機(jī)構(gòu)的重要研究領(lǐng)域，但將其轉(zhuǎn)化為可行的太陽能電池卻十分復(fù)雜。
單線態(tài)裂變太陽能電池可以從一個光子產(chǎn)生兩個電子，從而提高電池效率。這是通過量子力學(xué)過程實(shí)現(xiàn)的，其中一個單線態(tài)激子(電子空穴對)分裂成兩個三線態(tài)激子。
“到目前為止，我們只有間接證據(jù)表明單重態(tài)激子裂變可以與硅耦合，”該研究的通訊作者馬克·A·巴爾多(Marc A. Baldo)告訴《光伏》雜志。“我們的突破在于設(shè)計出一種界面，可以將電子和空穴依次轉(zhuǎn)移到硅中，而不是同時轉(zhuǎn)移到兩者中。”
在最近發(fā)表于《焦耳》雜志上的研究成果《激子裂變增強(qiáng)硅太陽能電池》中，研究人員解釋說，他們設(shè)計并構(gòu)建了一種微線(MW)電池，其界面基于氮氧化鉿(HfOxNy)薄膜，以改善四苯并菲(Tc)與硅之間的耦合。Tc及其衍生物是激子裂變增強(qiáng)硅太陽能電池的主要候選材料，因?yàn)樗鼈兛梢孕纬呻姾赊D(zhuǎn)移和多激子態(tài)。
該界面還包含一層薄氧化鋁 (AlO x ) 鈍化層，用于防止轉(zhuǎn)移的載流子在硅表面立即復(fù)合，以及一層作為電子給體材料的鋅酞菁 (ZnPc) 層。“為了最大限度地減少背面的復(fù)合，我們添加了一個結(jié)深為 1 μm 的背表面場 (BSF) 層和一個局部背接觸，”科學(xué)家們說道。“我們采用微網(wǎng)格電極作為正面電極，以有效地收集載流子。”
研究人員對電池性能進(jìn)行了一系列測量，發(fā)現(xiàn)在設(shè)備上沉積ZnPc和Tc可以改變短路電流密度，而開路電壓和填充因子的下降可以忽略不計，從而整體提高功率轉(zhuǎn)換效率。
分析還表明，四苯并菲吸收的每個光子的峰值電荷產(chǎn)生效率約為 138%，科學(xué)家表示，這“輕松”超過了傳統(tǒng)硅太陽能電池的量子效率極限。
“這項技術(shù)將與硅基鈣鈦礦等雙結(jié)概念展開競爭，”巴爾多解釋道。“將激子裂變與硅相結(jié)合，可以避免電流匹配的限制，而且這種方法有望實(shí)現(xiàn)在不同光照條件下的穩(wěn)定性，并具備單結(jié)的典型簡單性。它還有很長的路要走。最重要的是，我們需要提高效率，并證明這項技術(shù)在陽光下也能保持穩(wěn)定。”
“在硅太陽能電池中觀察到激子裂變產(chǎn)生的光電流，證明了與單重態(tài)激子裂變耦合是提高硅太陽能電池效率的可行途徑，”巴爾多總結(jié)道。“我認(rèn)為我們現(xiàn)在可以宣稱，激子裂變是新型太陽能電池技術(shù)競爭中一個真正的有力競爭者。”
2023年，麻省理工學(xué)院和弗吉尼亞大學(xué)的研究人員宣布，計劃將并苯(一種具有獨(dú)特光電特性的苯分子)用于單線態(tài)裂變太陽能電池。他們的方法是將碳二碳烯配體添加到已經(jīng)摻雜硼和氮的并苯中。
2019年，麻省理工學(xué)院的另一個研究小組展示了如何將單重態(tài)激子裂變應(yīng)用于硅太陽能電池，并可使電池效率高達(dá)35%。他們聲稱自己是第一個將這種效應(yīng)從已知具有這種效應(yīng)的“激子”材料(也就是四苯并菲)中轉(zhuǎn)移出來的研究小組。他們通過在硅太陽能電池和激子四苯并菲層之間添加一層厚度僅為幾個原子的氮氧化鉿來實(shí)現(xiàn)這一壯舉。
麻省理工學(xué)院的研究人員將他們的研究描述為“渦輪增壓”硅太陽能電池，并表示這與目前提高太陽能電池效率的最常見方法不同，后者目前更側(cè)重于串聯(lián)電池的概念。“我們向硅片中注入了更多電流，而不是制造兩個電池，”他們當(dāng)時表示。
