2025年5月22日，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的科研人員展示了一種新型硅基太陽能電池概念，通過引入單線態(tài)激子裂變（SF）效應(yīng)，突破傳統(tǒng)光伏器件的量子效率極限，為提升太陽能轉(zhuǎn)換效率開辟新路徑。
單線態(tài)激子裂變是指單個(gè)光子被吸收后可產(chǎn)生兩個(gè)電子-空穴對(duì)的量子效應(yīng)，理論上能使電池效率顯著提升。然而，該效應(yīng)與硅基器件結(jié)合存在一定挑戰(zhàn)。MIT科研人員設(shè)計(jì)了一種基于氧氮化鉿（HfOxNy）薄膜的界面層，實(shí)現(xiàn)了激子裂變材料（如并四苯）與硅之間的電荷載流子順序轉(zhuǎn)移，而非同時(shí)轉(zhuǎn)移，從而避免了電荷復(fù)合問題。研究人員還通過添加氧化鋁鈍化層和鋅酞菁電子供體層，進(jìn)一步優(yōu)化了載流子傳輸效率。實(shí)驗(yàn)顯示，在并四苯層中每吸收一個(gè)光子的峰值電荷產(chǎn)生效率達(dá)138%，顯著超過傳統(tǒng)硅電池的量子效率上限。盡管當(dāng)前效率尚未達(dá)到商用水平，但該設(shè)計(jì)在不同光照條件下展現(xiàn)出單結(jié)器件的穩(wěn)定性和簡(jiǎn)單性，有望與鈣鈦礦/硅疊層電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。
值得關(guān)注的是，MIT團(tuán)隊(duì)早在2019年和2023年已圍繞激子裂變開展相關(guān)探索，此次研究進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)路線的潛力。目前，全球光伏研發(fā)正聚焦于疊層電池和新型材料，MIT的“單線態(tài)激子裂變+硅”方案因其獨(dú)特的物理機(jī)制和單結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，被視為下一代高效電池的重要競(jìng)爭(zhēng)者。
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