美国研发新型量子光伏电池材料平均光伏吸收率达80%

据外媒报道，美国利哈伊大学(Lehigh University)的研究人员在日前发表的一份研究报告宣称，他们开发了一种新的薄膜光伏电池吸收材料，据称这种材料的平均光伏吸收率为80%，其外量子效率(EQE)为190%。

外量子效率(EQE)是光伏电池收集的电子数量与入射的光子数量的比率。它定义了光伏电池将光子转化为电流的能力。研究报告的主要作者之一Chinedu Ekuma在一份声明中说：“在传统的光伏电池中，最高的外量子效率(EQE为100%，这代表从阳光中吸收的每个光子产生和收集一个电子。”

在发表在《科学进展》杂志上的主题为《用于光伏应用的原子级厚度CuxGeSe/SnS量子材料的化学调谐中间带态》论文中，研究人员解释说，这种新的量子材料可能是中间带光伏电池(IBSC)的理想匹配。

这种光伏电池有可能超过肖克利-奎伊瑟极限(S-Q limit)——具有单个p-n结的光伏电池可以达到的最大理论效率。它是通过检查每个入射光子提取的电能量来计算的。

研究人员解释说:“这种材料的效率快速提高在很大程度上归功于它独特的‘中间带态’， 即位于材料电子结构内的特定能级，使它们成为光伏转换的理想选择。这些状态的能级在最佳子带间隙内——即材料可以有效吸收阳光并产生电荷载流子的能量范围。”

这种新材料是一种二维范德华(vdW)材料，这意味着它具有由离子键结合在一起的晶体平面结构。它由锗(Ge)、硒(Se)和硫化锡(Sns)的异质结构组成，并将零价铜(Cu)原子插入在材料层中。

CuxGeSe/SnS量子材料具有介于0.78eV和1.26eV之间的中间能带隙。利用这一点，研究人员设计并建模仿真了一种采用该材料作为有源层的薄膜光伏电池。

在这一建模中，光伏电池采用氧化铟锡(ITO)衬底、基于氧化锌(ZnO)的电子传输层(ETL)、 CuxGeSe/SnS吸收层以及金(Au)触点。研究小人员指出，“在我们的设计中，原子级厚度的GeSe和SnS是垂直堆叠的，有助于通过范德华相互作用轻松集成混合结构。”

建模结果表明，这种光伏电池的外量子效率(EQE)为110% ~ 190%。研究人员还发现，通过测量吸收体的厚度，光伏电池的光学活性在600纳米～1200纳米的波长范围内增加。

研究人员在论文中总结说：“这种材料的快速响应和效率的提高，有力表明了插铜GeSe/SnS作为量子材料在先进光伏应用的潜力，为提高光伏转换的效率提供了一条新的途径。”

研究人员在展望未来时表示，他们需要进行新的研究以确定一种实用的方法，将这种新材料嵌入到光伏电池中。然而他们也指出，用于制造这些材料的实验性技术已经非常先进。