光明的未來尋求第三代性能更好的太陽能電池

對于更綠色和更可持續的經濟，建造更好、更強大的太陽能電池是清潔能源領域的一個關鍵研究目標。但是，在典型的單結太陽能電池中，性能被限制在所謂的Shockley-Queisser極限(太陽能電池可以達到的最大效率的理論極限)。效率決定了太陽能電池吸收的光能(光子)有多少可以轉化為可用電流。Shockley-Queisser極限使基于半導體的太陽能電池的最大可能效率為33.7%。

多年來，科學家們一直在探索和開發太陽能電池設計和材料的新范例，試圖接近甚至超過這個效率極限。他們尚未成功，但由于最近的研究，前景正在改善。

太陽能電池效率低下的原因可能有很多。一個主要原因是多余能量的熱化。在此熱化過程中，帶電粒子(電子和空穴)對吸收的多余能量(即，比粒子在材料結構內移動并發電所需的能量更多)作為熱量損失到材料的晶格結構中.研究表明，在典型的單結半導體太陽能電池中，近50%的吸收太陽能會因熱化而損失。如果這種能量也能被捕獲并轉化為電能，那么太陽能將成為一種非常強大的可持續資源。

幾十年前，兩位科學家RTRoss和AJNozik提出了一種稱為熱載流子太陽能電池(HCSC)的新型太陽能電池，在這種太陽能電池中，多余的能量可以在失去之前被收集起來。在HCSC中，想法是隔離攜帶多余能量的粒子(熱載流子)并將它們存儲在晶格結構中，這樣能量就不會丟失。隨后的實驗證明了分離熱載流子的可能性。但迄今為止，尚未建立可操作的HCSC。

現在，由亞利桑那州立大學和俄克拉荷馬大學的研究人員在DavidK.Ferry的領導下發表在JournalofPhotonicsforEnergy(JPE)上的一份報告提出了HCSC必須滿足的許多條件。并探索滿足這些條件的方法。

根據JPE主編SeanShaheen的說法，“該論文闡明了一種實現熱載流子太陽能電池的新途徑，它可以超過太陽能電池的典型效率限制。擬議的途徑涉及在半導體能帶結構中使用衛星谷，其中熱載流子可以在不損失能量的情況下暫時存儲。雖然它沒有提供解決問題的完整方法，但它提供了一種理解和設計熱載流子太陽能電池的不同方式，可以激勵其他研究人員基于概念。”

當處于較低能量水平(稱為價帶)的帶電粒子獲得足夠的能量以跨越能隙以達到稱為導帶的高能級時，半導體會導電，并且可以自由移動。提出的新方法涉及在導帶中的較高能量谷或局部最大值中隔離熱載流子。Ferry解釋說：“谷光伏方法有助于通過將粒子的動能變為勢能來減少熱量損失;也就是說，將能量的形式從一種可以損失的形式改變為一種可以儲存的形式。”

科學家們能夠在基于銦鎵砷和鋁(InGaAs/InAlAs)的半導體材料中闡明這種方法，該半導體材料對光敏感，因此是太陽能電池的潛在材料。

該論文為未來研究提高太陽能電池的效率奠定了重要基礎，為潛在的第三代太陽能電池打開了大門，這些太陽能電池的工作方式與現有電池截然不同，可以突破Shockley-Queisser極限，實現Ross和諾齊克。

太陽能經濟即將到來，我們所有人的未來都可能更加光明。