太阳能三明治：以 CuxGeSe/SnS 作为活性层的薄膜太阳能电池示意图。 （由 Ekuma 实验室/理海大学提供）
传统太阳能电池的最大外量子效率 (EQE) 为 100%：每个光子入射到电池上，就会产生一个光激发电子。 近年来，科学家们试图通过开发能够为吸收的每个光子“释放”多个电子的材料来改进这一点。 美国里哈伊大学物理学家 Chinedu Ekuma 领导的团队现已实现了这一目标，生产出一种 EQE 高达 190% 的材料，几乎是硅太阳能电池的两倍。
该团队通过在Atom薄层硒化锗（GeSe）和硫化锡（SnS）之间插入铜Atom来制造这种新Compound。 所得材料的化学式为 CuxGeSe/SnS，研究人员利用所谓的范德华间隙开发了这种材料。 这些Atom级的小间隙存在于二维材料层之间，它们形成“口袋”，可以将其他元素插入（或“插入”）以调整材料的性能。
中间带隙态
里哈伊大学的研究人员将材料的 EQE 增加归因于中间带隙态的存在。 这些不同的电子能级出现在材料的电子结构中，使它们能够在广泛的太阳辐射波长范围内非常有效地吸收光。 在新材料中，这些能级约为 0.78 和 1.26 电子伏特 (eV)，位于该材料可以有效吸收阳光的范围内。
该材料在电磁波谱的红外和可见光区域工作得特别好，平均为每个入射光子产生近两个光激发电荷载流子（束缚在称为激子的准粒子中的电子和空穴）。 Ekuma 表示，这种“多激子产生”材料可以作为太阳能电池器件中的活性层，其性能从根本上由激子物理学决定。 “该活性层通过促进材料中激子的产生和传输，对于提高太阳能电池的效率至关重要，”Ekuma 解释道。
实用设备需要进一步研究
研究人员使用先进的计算模型来优化材料中光敏层的厚度。 他们计算出，通过确保其保持薄（在所谓的准二维极限内）以防止量子限制损失，可以增强其 EQE。 Ekuma 解释说，这是影响激子有效产生和通过非辐射Compound过程传输的关键因素，在非辐射Compound过程中，电子和空穴有时间重新组合，而不是被分开以产生有用的电流。 “通过维持量子限制，我们保留了材料有效地将吸收的阳光转化为电能并以最高效率运行的能力，”他说。
虽然这种新材料是开发下一代高效太阳能电池的有希望的候选材料，但研究人员承认，在将其集成到现有太阳能系统之前，还需要进行进一步的研究。 “我们现在正在进一步探索这一系列插层材料，并为此通过各种材料工程工艺优化其效率，”Ekuma 告诉《物理世界》。
该研究在《科学进展》中有详细介绍。
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