光子散发创造光电转换新纪录

在美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），科学家的理论研究，带来了破纪录的太阳能电池光电转换效率。研究人员发现，与传统的科学常识相反，提高太阳能电池效率的关键，不是吸收更多的光子，而是散发出更多的光子。

“优异的太阳能电池也应是一个优异的发光二极管，”艾利•雅布龙诺维奇（Eli Yablonovitch）说，他是伯克利实验室的电气工程师，领导这项研究。“这是违反直觉的。为什么太阳能电池应该发出光子？我们展示的是，太阳能电池能更好地散发出光子，就可以产生更高的电压和更高的效率。”

他们的一篇论文，介绍了这项工作，发表在《光伏杂志》（Journal of PhotoVoltaics），题为《高密度内外荧光的太阳能电池达到肖克利-奎伊瑟效率极限》（Intense Internal and External Fluorescence as Solar Cells Approach the Shockley-Queisser Efficiency Limit）。

论文中，雅布龙诺维奇描述，外部荧光是一个关键，可以达到理论上的最高效率，使太阳能电池把阳光转换成电能。这一理论效率，就是所谓的肖克利•奎伊瑟效率极限（SQ极限），测量约为33.5％，就是单个p-n结太阳能电池。这意味着，如果太阳能电池每平方米太阳能可收集1000瓦，那么，它能产生的最大电力为每平方米335瓦左右。

欧文•米勒（Owen Miller）是雅布龙诺维奇研究小组的成员，他的计算表明，半导体砷化镓能够达到肖克利•奎伊瑟效率极限。依靠这项工作，雅布龙诺维奇共同创办的一家私营公司，就是阿尔塔设备公司（Alta Devices Inc.），已可制造砷化镓太阳能电池，达到创纪录的转换效率，就是28.4％。
“欧文•米勒提供了精确的理论，可以达到肖克利•奎伊瑟极限，首次包括了外部荧光效率。” 雅布龙诺维奇说：“他计算的砷化镓（Gallium arsenide）表明，外部荧光带来了电压升压，阿尔塔公司研究人员随后就观察到了。”

今天，最高效的商用太阳能电池是用单晶硅片制成，通常可达到约23％的转换效率。高挡硅是一种昂贵的半导体，但是只能低强度收集光子。砷化镓虽然比硅更昂贵，但是更擅于吸收光子，这意味着，只需要少得多的材料，就可以制成太阳能电池。

“砷化镓吸收光子比硅强1万倍，这是指一定的厚度，但并没有贵1万倍，”雅布龙诺维奇说，“从性能看，这是一种理想材料，可以制造太阳能电池。”

过去的工作中，提升太阳能电池的转换效率，重点是增加电池吸收的光子数量。太阳能电池吸收阳光产生电子，这些电子必须被引导出电池，形成电。有些电子导出速度不够快，就会衰变，释放自身的能量。如果那种能量释放为热量，就会降低太阳能电池的输出功率。米勒的计算表明，如果这释放出的能量离开电池，形成外部荧光，就会提升电池的输出电压。

“这就是核心的反直觉成果，带来了效率纪录的突破，”雅布龙诺维奇说。

米勒解释说，“在开放电路条件的太阳能电池中，电子有没有地方可去，这样，它们堆积成高密度，而且，在理想情况下，会发出外部荧光，完全平衡入射的阳光。因为标示出内部光学损耗低，这种高效的外部荧光就很必要，可以达到肖克利•奎伊瑟极限。”

使用单晶薄膜技术，就是雅布龙诺维奇早期开发的所谓“外延层剥离”（epitaxial liftoff），阿尔塔设备公司可用砷化镓制造太阳能电池，不仅刷新了以前的太阳能转换效率纪录，而且生产成本远低于任何其他太阳能电池技术。阿尔塔设备公司预计，在一年内把砷化镓太阳能电池板推向市场。

“这种肖克利•奎伊瑟极限仍然是太阳能电池技术的基础，”雅布龙诺维奇说，“不过，光萃取和外部荧光物理学很明显关联到高性能太阳能电池。”

本文为麻省理工《科技创业》原创文章，未经书面许可，严禁转载使用。