大多数光伏太阳能电池都存在固有的效率上限，限制了它们从太阳光中提取可用能量的多少。但科学家们正在通过新的研究寻找绕过这一障碍的方法，这些研究有望使太阳能更高效、更具成本效益。
在科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室（NREL），研究人员正在研究如何让一个光子一次推动多个电子。与此同时，麻省理工学院的一个团队正在研究如何让合适类型的光线照射到太阳能电池上，以确保其能量不被浪费。
“太阳能转换的主要限制之一是这些高能光子无法被有效转换。你会损失大量能量转化为热，”NREL高级科学家Matthew Beard说。他上周在《科学》杂志上共同发表了一篇论文，展示了一种器件，该器件在量子层面上，使用一种称为多激子产生（MEG）的过程，效率峰值达到了114%。
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“它在某些方面与传统太阳能电池的运作方式相同，”Beard说。“它没有使用块状晶体，而是使用了量子点。” 大多数太阳能电池由两层晶体层夹层构成：一层略带负电荷，另一层略带正电荷。负晶体有多余的电子，当一个能量足够的光子照射到材料上时，它会从正极侧击出一个电子，增加其能量并留下一个“空穴”。电子-空穴对被称为激子。
MEG是“第三代”太阳能技术前沿的技术之一。利用这些进步，太阳能电池板可以比目前市场上的设备更薄、更轻、更便宜、更灵活，并且从根本上更高效。因此，太阳能将更具成本效益，并将在全球能源结构中占据更大的份额。
但首先，这些电池板必须绕过肖克利-奎伊瑟极限，这是当前一代光伏系统的瓶颈。
节省浪费的太阳能
“SQ”极限描述了使用具有单个半导体结的传统单层设计的太阳能电池的最大效率。对于大多数常见的太阳能电池材料，在理想条件下，效率极限约为32%。这意味着至少有三分之二照射到太阳能电池板的阳光能量被浪费了，如果考虑到反射、布线和安装硬件造成的损失，浪费的能量会更多。如果增加电池的层数，效率会提高，但这会大大提高设备的成本和复杂性。目前，多结太阳能电池主要限于卫星应用，在卫星应用中，对效率、轻重量和小空间的需求超过了成本考虑。
现在，科学家们正在纳米尺度上调整太阳能电池材料，以在不增加价格或复杂性的情况下，挤出更好的性能，从而找到绕过SQ极限的漏洞。
在当前的光伏电池中，阳光会击出电子，产生移动的电荷，这些电荷进入负晶体，通过电路，然后回到正极侧，在那里填补空穴。如果光子的能量不足，电子就会停留在原位。如果光子的能量过高，电荷流动时只会使用它需要的能量，剩余的能量会加热设备。
Beard的团队找到了一种方法，利用量子点——尺寸在2到10纳米之间的微小半导体材料块——用一个光子产生多个空穴。它们的小尺寸使它们能够容纳电荷并更有效地将光转化为电。在这种情况下，量子点由铅和硒制成。当能量至少是移动一个电子所需能量两倍的光子照射到硒化铅量子点时，它可以激发两个或更多个电子，而不是让额外的能量浪费掉，从而产生比传统太阳能电池更大的电流。
“目前该器件的整体效率约为4%。我们需要[器件]达到约10%至15%才能引起显著的商业关注，”Beard说。他预计，随着进一步发展，MEG太阳能电池的效率可以达到44%。
绕过SQ极限的另一种方法是通过单线态裂变。同样是NREL高级科学家的Justin Johnson说，这个过程与MEG类似，只是它使用有机分子——由碳组成的化合物——而不是半导体。“如果你将你的分子设计成这样，即不是冷却到较低状态，而是产生两个电子-空穴对，那么你就不会像让分子弛豫并将能量以热的形式释放那样损失那么多能量，”Johnson说。
Johnson与NREL的Arthur Nozik和科罗拉多大学博尔德分校的Josef Michl合作，在一种名为1,3-二苯基异苯并呋喃的化合物中演示了单线态裂变。当光子照射到这种物质的分子时，其电子进入更高能量的激发态。当它弛豫时，它可以将其能量转移到附近的分子。在去年发表在《美国化学学会杂志》上的一项研究中，该团队观察到这些分裂能量态的产率为200%。在实际器件中，Johnson预计效率上限为46%。
保持简洁
单线态裂变太阳能电池也可能比更常见的硅基太阳能电池更具成本效益。“有机材料的好处在于，几乎所有的有机化合物都可以廉价地大规模生产，”Johnson说。“主要的限制是如何优化材料以使其[发电]效率更高。一旦我们理解了这些设计原则，我们就可以像制造太阳能电池一样制造分子。”
尽管这两种工艺都可以绕过SQ极限，但它们仍然需要高能光，而高能光仅占太阳光谱的一小部分。在麻省理工学院，研究科学家Peter Bermel正在寻求一种解决方案，使用吸收太阳热量并发出光的材料。“选择性发射器辐射高能光子，而不是低能光子，”Bermel说。“你将光谱压缩到非常窄的波长范围内。”
吸收器由超材料制成，超材料是一种被设计成具有自然界中不存在的特性的物质。它像大多数其他化合物一样在阳光下升温，但它不会像其他化合物那样将热量辐射到周围环境中。这使其能够集中热能并变得非常热。吸收器将其能量传递给发射器，然后发射器与光伏板耦合，在那里产生电力。在10月份发表在《纳米尺度研究快报》上的一篇论文中，Bermel计算出这种器件的效率可以达到37%。
科学家们承认，这项研究在应用于您家屋顶之前还需要进一步的努力。“我们需要进一步改进主要的转换过程，”Beard在谈到MEG时说，他指的是光如何转化为激子。此外，“我们需要研究除硒化铅以外的其他量子点材料，因为铅是有毒的，”他说。
Johnson指出，另一个问题是保持器件的简单性。这将使新型太阳能电池易于制造并降低其成本，从而使其更有可能获得广泛接受。Bermel对此表示赞同，并补充说，他希望“探索非常简单但在某种意义上与现有技术不同的设计。我们不是仅仅试图进行非常渐进的改进，而是试图开发新概念。”
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