据报道，美国科学家设计了一种微导线太阳能电池，可以实现单线态裂变与硅的耦合。他们取得成就的关键是一个界面，该界面将电子和空穴依次转移到硅中，而不是同时将两者转移到硅中。
太阳能电池示意图图片： 麻省理工学院， Joule
麻省理工学院(MIT)的科学家们利用一种被称为单重态激子裂变(SF)的效应，展示了一种新型硅太阳能电池概念，该概念有可能超过传统光伏器件的量子效率极限。
单重态激子裂变是在某些材料中看到的一种效应，其中单个光子在被太阳能电池吸收时可以产生两个电子-空穴对，而不是通常的一个电子-空穴。早在1970年代，科学家们就已经观察到这种效应，尽管在过去十年中它已成为一些世界领先机构的重要研究领域;事实证明，将这种效应转化为可行的太阳能电池是复杂的。
单线态裂变太阳能电池可以从一个光子产生两个电子，使电池效率更高。这是通过量子力学过程发生的，其中一个单重态激子(电子-空穴对)被分成两个三重态激子。
“到目前为止，我们只有间接证据可以将单线态激子裂变与硅耦合，”该研究的通讯作者 Marc A. Baldo告诉 pv magazine。“对我们来说，突破是设计了一个界面，将电子和空穴依次转移到硅中，而不是同时将两者(电子和空穴)转移到硅中。”
在最近发表在 Joule 上的研究“激子裂变增强硅太阳能电池”中，研究人员解释说，他们设计并构建了一种微导线 (Microwire, MW) 电池，其界面基于铪氧氮化物(HfOxNy)薄膜，以改善并四苯(Tetracene, Tc)和硅之间的耦合。Tc及其衍生物是SF的主要候选物，因为它们可以形成电荷转移和多激子态。
该界面还包括一种薄的氧化铝(AlOx)钝化层，防止转移的电荷载流子在硅表面立即重新组合，以及作为电子供体材料的锌酞菁(ZnPc)层。“为了最大限度地减少背面的复合，添加了一个结深为1 μm的背表面场(BSF)层和一个局部背接触，”科学家们说。“微网格电极用作前电极，以有效地收集载流子。”
研究人员对电池性能进行了一系列测量，发现在器件上沉积ZnPc和Tc会改变短路电流密度，开路电压和填充因子的降低可以忽略不计，从而导致功率转换效率的整体提高。
分析还表明，并四苯中吸收的每个光子的峰值电荷产生效率约为138%，科学家们表示，这“轻松”超过了传统硅太阳能电池的量子效率极限。
“这项技术将与硅-钙钛矿叠层等双结概念电池竞争，”Baldo解释说。“将激子裂变与硅相结合避免了电流匹配限制，并且该方法保证了在不同照明下的稳健性和单结典型的简单性，它还有很长的路要走。最重要的是，我们需要提高效率并证明该技术可以在阳光下保持稳定。
Baldo总结道：“观察到硅太阳能电池中激子裂变产生的光电流证明了与单线态激子裂变耦合是提高硅太阳能电池效率的可行途径这一概念。“我认为现在可以宣称，激子裂变是新太阳能电池技术竞争中真正的技术竞争者。”
2023 年，麻省理工学院和弗吉尼亚大学的研究人员宣布计划在单线态裂变太阳能电池中使用并苯，并苯是具有独特光电特性的苯分子。他们的方法包括将碳二卡宾配体添加到已经掺杂了硼和氮的并苯中。
2019 年，麻省理工学院的另一个研究小组展示了如何将单线态激子裂变应用于硅太阳能电池，并可能导致电池效率高达35%。他们声称自己是第一个从已知表现出这种效应的“激子”材料中转移效应的群体，在这种情况下，还有并四苯。他们通过在硅太阳能电池和激发子并四苯层之间放置一个只有几个原子厚的氮氧化铪的额外层来实现这一壮举。
麻省理工学院的研究人员将他们的工作描述为“涡轮增压”硅太阳能电池，并表示这与提高太阳能电池效率的最常见方法不同，后者如今更侧重于叠层电池概念。“我们正在向硅中添加更多电流，而不是制造两个电池，”他们当时表示。
