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【產通社，6月20日訊】盡管太陽能電池近年來取得了一些進步，但在重量最小化上仍有不足之處。2D半導體材料曾被認為是一種可能的解決方案，它們卻一直受到低效率的阻礙。
現在，通過優化材料和設計，用2D半導體材料制成的太陽能電池的效率可以達到以前這種器件的兩倍。研究人員提出的設計讓今天的薄膜太陽能電池物有所值，擁有當今所有薄膜技術中最高的單位重量功率，幾乎是每克200瓦。
賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）電氣和系統工程師Deep Jariwala說，這種超輕、柔性太陽能電池可用于基于空間的太陽能電池陣列、航天器、衛星、無人機、可穿戴電子設備，以及“為任何重量敏感的地方供電”。
Jariwala和他的同事正在研究由2D半導體制成的太陽能電池，這種半導體被稱為過渡金屬二硫族化物(TMDs)，其中包括硒化鎢和二硫化鉬等材料。十多年來，研究人員一直將TMD作為薄膜電子器件和傳感器的組件進行研究。在過去的五年里，人們對它們的光伏特性越來越感興趣。雖然最初幾個TMD太陽能電池的效率低于1%，但Jariwala的團隊去年報告了效率超過5%的設備。
激子
盡管取得了實際進展，迄今為止還沒有人準確計算出TMD太陽能電池的最終理論效率極限。對效率極限進行理論預測的人沒有考慮一個重要的參數：激子（exciton），這是一對束縛的電子和空穴，是原子結構中帶正電荷的點，電子可以存在于其中。
硅等塊狀光伏材料吸收光線，產生自由流動的電子和空穴，從而產生電能。Jariwala解釋說，在任何納米尺度或低維材料中，產生的電荷作為激子束縛在一起，這開始支配這些半導體的特性。如果你不考慮激子，就不知道真正的理論極限。
要用2D材料制造出實用的太陽能電池，關鍵是要設計出一種能捕捉光線并最大化吸收的設計。否則，大部分的光都會通過。因此，研究人員制作了一種特殊的陷光晶格結構，看起來像一個分層蛋糕。該結構交替重復放置在反光金層上的二硫化鉬和氧化鋁層。這種結構吸收了超過90%的入射光。
通過優化材料厚度和其他設備參數，并考慮激子物理學，研究人員計算出最大效率約為13%。
與最先進的硅太陽能電池25%的效率相比，這是很小的。但是這些厚度只有幾微米甚至幾毫米。“太陽能電池中的2D半導體厚度為4納米，”Jariwala說。“所以厚度和總重量有很大的差異。在比功率方面，這些真的可以給你創紀錄的性能，這是關鍵優勢。對于輕型或遠程電源應用，這是一種很好的材料。”
集動力和持久性于一身
鑒于理論效率和納米尺度的厚度，研究人員計算出他們提出的器件的比功率接近200W/g。他們在《設備（Device）》雜志6月6日的一篇文章中表示，這是商用碲化鎘電池比功率的十倍。
另一種有前途的薄膜技術有機太陽能電池具有150W/g的高比功率。但與這些器件中使用的有機聚合物相比，TDM材料更穩定，不會隨著時間的推移而降解，Jariwala說。“它們是兩全其美的。它們擁有有機太陽能電池的光學特性，也具有無機太陽能電池的化學和物理特性。”
研究人員的下一步是制造真正的太陽能電池。他們將不得不找出電極和觸點的最佳材料，如何將它們放在2D晶格結構上，然后有效地收集電荷。然后，將太陽能電池擴大到更大的尺寸應該相對簡單，Jariwala說。
“我們知道如何捕捉光線，并讓它在極薄的結構中被大面積吸收，”Jariwala說。“現在剩下的是一個電子工程問題，希望在接下來的一年左右，我們能夠對這種太陽能電池進行一些實驗演示。這些是薄膜材料，它們將經歷與硅、砷化鎵或任何其他無機半導體材料相同的納米加工。在化學方面，它們與已經商業化的碲化鎘非常相似。我看不出你有任何理由不能將這些商業化。”（編譯：張底剪報鐠媒體；來源： http://spectrum.ieee.org/solar-cells）
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