本文與 催化計 聯合發布
幾千年文明史以來，人類對太陽的渴望，從未稍減。地球上每時每刻接收到的太陽能約為1017瓦，而全球電力需求僅為1012瓦左右。盡管太陽能電池似乎無處不在，但即便是走在前列的能源大國美國也僅有1.3％的電力來自太陽能。無論是從可再生清潔能源，還是從經濟的角度而言，更多地發展和使用太陽能電池，不斷致力于使太陽能光伏器件更耐用，更有效地將太陽光轉化為電能都是值得人類不停地追逐的。
數十年以來，硅太陽能電池長期在市場上占據霸主地位，但理論效率的天花板嚴重限制了其更長遠的發展。1961年的一份研究指出，硅太陽能電池中高能光子會產生不必要的熱量，即便是最完美的硅太陽能電池，其光電轉化效率也很難超過30％。除此之外，硅太陽能電池還因為其制作過程的高污染性而備受詬病。
直到2009年，鈣鈦礦橫空出世。這匹黑馬以迅雷不及掩耳之勢一路高歌猛進，低成本，更簡單的制作工藝，不斷攀升且無可限量的轉化效率等等優勢，使鈣鈦礦逐漸成為太陽能電池中的翹楚，集萬千寵愛于一身。
在鈣鈦礦風光無限的這幾年里，硅太陽能電池雖然仍然是光伏市場的大佬，但是儼然沒有了老大的威風，霸主地位隨時感覺可能被人取代。正所謂“世風日下，今不如昔”，硅太陽能電池這些年穩打穩扎，終究還是在一片暗淡中殺出一條條血路，希望江山永固。
2019年7月3日， MIT的Marc A.Baldo研究團隊在Nature發表論文，報道了一種提高硅太陽能電池效率的潛在方法，單結晶硅太陽能電池效率的理論限制有望從29%提高到35%。
他們在常規晶硅太陽能電池頂部涂覆一層超薄的氮氧化鉿（hafnium oxynitride）涂層，然后在涂層上沉積一層較厚的并四苯材料。并四苯層吸收高能光子后產生單線態激子，這是一種具有零自旋磁矩的電子-空穴束縛態。單線態激子隨后發生單線態裂變，產生兩個三線態激子：自旋磁矩為1的電子-空穴對。然后，這些激子通過氮氧化鉿轉移到太陽能電池中。最后，電子和空穴擴散到器件底部的相應電學接觸點，產生電流。
那么，問題來了！什么是單線態裂變呢？之前的研究人員沒有想到這種方法嗎？
單線態裂變是指一個吸收的高能光子裂變為一對低能激發的過程。單線態裂變策略不涉及額外的電接觸，也不用改變太陽能電池的常規操作。長期以來，它一直被認為是一種簡單而有效的避免熱損失的潛在方法，可以用于設計出效率高達最先進設備效率1.4倍的硅太陽能電池。
并四苯是能夠實現單線態裂變的最常見材料，可將（高能量）藍光或綠光分裂成兩個低能量激發。早在1979年，物理學家David Dexter就設想，在硅太陽能電池使用并四苯層，由單線態裂變產生的兩個三線態激子可以通過有效地轉移到太陽能電池中，從而使電流加倍，實現從太陽吸收藍光和綠光。然而，這種機制必須通過超薄屏障才可以有效地發生；而且，這種屏障不能鈍化硅的半導體表面，否則會導致功率損失。這使得具有良好導電性能的并四苯直接集成到高效太陽能電池中變得困難重重。
MarcA. Baldo研究團隊巧妙地發現，由氮氧化鉿制成的0.8 nm超薄鈍化層可以解決以上難題。在此基礎上，研究團隊創造性地利用并四苯分子的單線態激子裂變方法使硅太陽能電池敏化，將高能激發分解成兩個低能激發，避免了高能光子的熱損失。后接觸電池設計與超薄鈍化層相結合，則是單線態裂變太陽能電池的關鍵。
雖然該技術依然存在諸多問題沒有解決，但是，提高并四苯中單線態裂變的速率，最終實現晶硅太陽能電池效率超越30%似乎已經不遠了。有朝一日，Dexter的夢想終將成為現實。
姜還是老的辣，這下，鈣鈦礦太陽能電池的霸主之位又遠了一程~
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參考文獻：
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02014-8
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1339-4
