單線(xiàn)態(tài)激子裂變是在某些材料中觀(guān)察到的一種效應，即單個(gè)光子被太陽(yáng)能電池(而非通常的太陽(yáng)能電池)吸收時(shí)，可以產(chǎn)生兩個(gè)電子空穴對。早在20世紀70年代，科學(xué)家就觀(guān)察到了這種效應，盡管在過(guò)去十年中，它已成為一些世界領(lǐng)先機構的重要研究領(lǐng)域，但將其轉化為可行的太陽(yáng)能電池卻十分復雜。
單線(xiàn)態(tài)裂變太陽(yáng)能電池可以從一個(gè)光子產(chǎn)生兩個(gè)電子，從而提高電池效率。這是通過(guò)量子力學(xué)過(guò)程實(shí)現的，其中一個(gè)單線(xiàn)態(tài)激子(電子空穴對)分裂成兩個(gè)三線(xiàn)態(tài)激子。
“到目前為止，我們只有間接證據表明單重態(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。“我們的突破在于設計出一種界面，可以將電子和空穴依次轉移到硅中，而不是同時(shí)轉移到兩者中。”
在最近發(fā)表于《焦耳》雜志上的研究成果《激子裂變增強硅太陽(yáng)能電池》中，研究人員解釋說(shuō)，他們設計并構建了一種微線(xiàn)(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硅太陽(yáng)能電池的主要候選材料，因為它們可以形成電荷轉移和多激子態(tài)。
該界面還包含一層薄氧化鋁 (AlO x ) 鈍化層，用于防止轉移的載流子在硅表面立即復合，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合，我們添加了一個(gè)結深為 1 μm 的背表面場(chǎng) (BSF) 層和一個(gè)局部背接觸，”科學(xué)家們說(shuō)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)現在設備上沉積ZnPc和Tc可以改變短路電流密度，而開(kāi)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換效率。
分析還表明，四苯并菲吸收的每個(gè)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(guò)了傳統硅太陽(yáng)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概念展開(kāi)競爭，”巴爾多解釋道。“將激子裂變與硅相結合，可以避免電流匹配的限制，而且這種方法有望實(shí)現在不同光照條件下的穩定性，并具備單結的典型簡(jiǎn)單性。它還有很長(cháng)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(yáng)光下也能保持穩定。”
“在硅太陽(yáng)能電池中觀(guān)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(yáng)能電池效率的可行途徑，”巴爾多總結道。“我認為我們現在可以宣稱(chēng)，激子裂變是新型太陽(yáng)能電池技術(shù)競爭中一個(gè)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(一種具有獨特光電特性的苯分子)用于單線(xiàn)態(tài)裂變太陽(yáng)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(gè)研究小組展示了如何將單重態(tài)激子裂變應用于硅太陽(yáng)能電池，并可使電池效率高達35%。他們聲稱(chēng)自己是第一個(gè)將這種效應從已知具有這種效應的“激子”材料(也就是四苯并菲)中轉移出來(lái)的研究小組。他們通過(guò)在硅太陽(yáng)能電池和激子四苯并菲層之間添加一層厚度僅為幾個(gè)原子的氮氧化鉿來(lái)實(shí)現這一壯舉。
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(yáng)能電池，并表示這與目前提高太陽(yáng)能電池效率的最常見(jiàn)方法不同，后者目前更側重于串聯(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(gè)電池，”他們當時(shí)表示。
