麻省理工学院创造的太阳能电池突破了Shockley-Queisser的效率极限

Shockley-Queisser效率极限声称，单个优化的半导体结的最终太阳能电池转换效率永远不会超过34％。麻省理工学院的研究人员表明，他们有办法突破这一极限。这将给真正需要大力推动的行业带来欢呼。

涂层的太阳能电池插图。图片来源：麻省理工学院的Christine Daniloff。

数十年的太阳能电池研究认为，Shockley-Queisser绝对是此类设备将阳光转化为电能的效率的极限。上周，麻省理工学院的工作发表在《科学》杂志的一份报告中，由包括丹尼尔·康格雷夫，尼古拉斯·汤普森，埃里克·洪兹和谢恩·约斯特，校友李吉耶12岁在内的研究生以及电气工程学教授马克·巴尔多和特洛伊·范·沃希斯共同撰写。

巴尔多教授解释说，自1960年代以来，理论上就已经知道了消除障碍技术背后的原理。但这是一个模糊的想法，没有人成功地付诸实践。麻省理工学院的团队第一次能够成功地完成了这一想法的“原理证明”，即单重态激子裂变。（激子是分子从光子吸收能量后的激发态。）

在标准的光伏（PV）电池中，每个光子会精确地敲打PV材料内部的一个电子。然后可以通过导线利用松散的电子来提供电流。

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麻省理工学院的新技术是使每个光子都能使两个电子松散。这使过程效率更高：在标准电池中，光子携带的任何多余能量都被浪费为热量，而在新系统中，多余能量会产生两个电子，而不是一个。

尽管其他人以前已经“分裂”了光子能量，但他们却使用了紫外线，这是地球表面太阳光中相对较小的一部分。麻省理工学院的团队的工作代表了这一成就首次在可见光下完成，这为太阳能光伏板的实际应用奠定了途径。

研究小组在有机太阳能电池中使用一种称为并五苯的有机化合物，以一种“涂层”的形式用于常规的光阱方案。虽然已知一种材料能够从一个光子产生两个激子的能力，但以前没有人能够将其掺入到PV器件中，该器件每个光子产生一个以上的电子。

巴尔多教授也是美国能源部赞助的兴奋剂研究中心主任，他说：“我们的整个项目旨在证明这种分裂过程是有效的。我们证明了我们可以克服这一障碍。”

孔格雷夫指出这项工作的理论基础是很早以前就奠定的，但是没有人能够在一个真正的，功能正常的系统中实现它。他说：“在这个系统中，每个人都知道你可以，他们只是在等待别人去做。”

剑桥大学卡文迪许物理学教授理查德·弗兰德（Richard Friend）提供了第三方评论，他说：“这是我们都在等待的具有里程碑意义的事件。这真的是很棒的研究。”

研究小组在研究初期就已经通过了原理验证，并且尚未优化系统的能量转换效率，该效率仍然不到2％。研究人员说，但是通过进一步优化来提高效率应该是一个简单的过程。汤普森表示：“似乎没有根本障碍。”

Baldo指出，当今的商用太阳能电池板通常效率最高为25％，利用单线裂变的硅太阳能电池应可实现30％以上的效率。巴尔多指出，商业化将是一个通常以缓慢，渐进的进步为特征的领域的巨大飞跃。他指出，在太阳能电池研究中，人们正在努力“争取百分之一的增长”。

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还具有通过将不同的太阳能电池堆叠在一起也可以提高太阳能电池板效率的效果，但是将太阳能电池与常规太阳能电池材料组合起来很昂贵。相反，这项新技术有望用作太阳能电池上的廉价涂层。

借助已知材料的原理证明，团队现在正在探索可能会更好地完成相同技巧的新材料。巴尔多说：“该领域正在研究偶然的材料。”但是，既然对原理有了更好的理解，研究人员就可以开始以更系统的方式探索可能的替代方案。

第三方的另一评论来自加利福尼亚大学河滨分校化学教授克里斯托弗·巴丁，他称这项工作“非常重要”，并说麻省理工学院团队使用的过程“代表了将奇异的光物理过程纳入的第一步（裂变）转换为真实设备。这一成就将有助于使该领域的工作人员确信该过程具有将有机太阳能电池效率提高25％或更多的真正潜力。”

周围的口罩似乎也很赚钱。麻省理工学院已申请该技术的临时专利。

保持麻省理工学院的目标不变，光伏行业确实需要突破才能保持并获得市场吸引力。

通过。布莱恩·韦斯滕豪斯

原始资料：超出太阳能电池极限的吹气