2D太阳能电池有望创下单位重量功率记录

ISTOCK

尽管近年来取得了进步，但在必须将重量降至最低的情况下，太阳能电池仍有一些不足之处。2D半导体材料一直被认为是一种可能的解决方案，但它们在历史上一直受到低效率的阻碍。

研究人员表示，现在，通过优化材料和设计，用2D半导体材料制成的太阳能电池可以达到以前此类器件的两倍效率。他们提出的设计让今天的薄膜太阳能电池物超所值，拥有当今所有薄膜技术中最高的单位重量功率，几乎达到每克200瓦。

宾夕法尼亚大学的电气和系统工程师Deep Jariwala说，这种超轻、柔性的太阳能电池可以用于天基太阳能电池阵列、航天器、卫星、无人机、可穿戴电子设备，并“为任何有重量问题的东西供电”。

Jariwala和他的同事正在研究由称为过渡金属二硫族化合物（TMDs）的2D半导体制成的太阳能电池，其中包括硒化钨和二硫化钼等材料。十多年来，研究人员一直在研究TMDs作为薄膜电子和传感器的组件。在过去的五年里，人们对它们的光伏特性越来越感兴趣。虽然最初的几块TMD太阳能电池的效率低于1%，但Jariwala的团队去年报告称，其设备的效率超过了5%。

但是，尽管取得了实际进展，到目前为止，还没有人准确计算出TMD太阳能电池的最终理论效率极限。对效率极限进行理论预测的人没有考虑一个重要的参数：激子（exciton），它是电子和空穴的结合对，是原子结构中可能存在电子的带正电的点。

像硅这样的大块光伏材料吸收光，产生自由流动并发电的电子和空穴。但Jariwala解释说，在任何纳米级或低维材料中，产生的电荷都会以激子的形式结合在一起，“激子开始主导这些半导体的性质。如果你不考虑激子，你就不知道真正的理论极限。”

要用2D材料制造一个实用的太阳能电池，关键是要设计出一种能捕获光线并最大限度地吸收光线的设计。否则，大部分光线都会通过。因此，研究人员制作了一种特殊的光捕获晶格结构，看起来像一层蛋糕。该结构交替重复放置在反光金层上的二硫化钼和氧化铝层。这种结构吸收了超过90%的入射光。

通过优化材料厚度和其他器件参数，并考虑激子物理，研究人员计算出的最大效率几乎为13%。

与最先进的硅太阳能电池25%的效率相比，这个数字很小。但这些都是微米甚至毫米厚。Jariwala说：“这种太阳能电池中的2D半导体厚度为4纳米。因此，厚度和整体重量存在巨大差异。就比功率而言，这些确实可以给你带来创纪录的性能。这是关键优势。对于轻型或远程电源应用来说，这是一种很好的材料。”

考虑到其理论效率和纳米级厚度，研究人员计算出他们提出的器件的比功率接近200W/g。他们在6月6日发表在《设备》杂志上的一篇文章（https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(23)00003-0）中表示，这是商用碲化镉电池比功率的十倍之多。

有机太阳能电池是另一种很有前途的薄膜技术，具有150W/g的高比功率。但Jariwala说，与这些设备中使用的有机聚合物相比，TDM材料更稳定，不会随着时间的推移而降解。“所以它们是两全其美的。它们不仅具有有机太阳能电池的光学特性，同时还有无机太阳能电池的化学和物理特性。”

研究人员的下一步是制造一个真正的太阳能电池。他们必须找出电极和触点的最佳材料，如何将它们放在2D晶格结构上，然后有效地收集电荷。Jariwala说，然后，将太阳能电池扩大到更大的尺寸应该相对简单。

Jariwala说：“我们知道如何捕获光，并将其吸收在大面积的极薄结构中。现在剩下的是一个电子工程问题。希望在未来一年左右，我们能够对这种太阳能电池进行一些实验演示。这些都是薄膜材料。它们将经历与硅、砷化镓或任何其他无机半导体材料相同的纳米制造。从化学角度来看，它们与已经商业化的碲化镉非常相似。看不出你有什么理由不能把这些东西商业化。”