盡管近年來取得了進(jìn)步，但在必須將重量降至最低的情況下，太陽能電池仍有一些不足之處。2D半導(dǎo)體材料一直被認(rèn)為是一種可能的解決方案，但它們在歷史上一直受到低效率的阻礙。

研究人員表示，現(xiàn)在，通過優(yōu)化材料和設(shè)計(jì)，用2D半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池可以達(dá)到以前此類器件的兩倍效率。他們提出的設(shè)計(jì)讓今天的薄膜太陽能電池物超所值，擁有當(dāng)今所有薄膜技術(shù)中最高的單位重量功率，幾乎達(dá)到每克200瓦。

賓夕法尼亞大學(xué)的電氣和系統(tǒng)工程師Deep Jariwala說，這種超輕、柔性的太陽能電池可以用于天基太陽能電池陣列、航天器、衛(wèi)星、無人機(jī)、可穿戴電子設(shè)備，并“為任何有重量問題的東西供電”。

Jariwala和他的同事正在研究由稱為過渡金屬二硫族化合物（TMDs）的2D半導(dǎo)體制成的太陽能電池，其中包括硒化鎢和二硫化鉬等材料。十多年來，研究人員一直在研究TMDs作為薄膜電子和傳感器的組件。在過去的五年里，人們對它們的光伏特性越來越感興趣。雖然最初的幾塊TMD太陽能電池的效率低于1%，但Jariwala的團(tuán)隊(duì)去年報(bào)告稱，其設(shè)備的效率超過了5%。

但是，盡管取得了實(shí)際進(jìn)展，到目前為止，還沒有人準(zhǔn)確計(jì)算出TMD太陽能電池的最終理論效率極限。對效率極限進(jìn)行理論預(yù)測的人沒有考慮一個(gè)重要的參數(shù)：激子（exciton），它是電子和空穴的結(jié)合對，是原子結(jié)構(gòu)中可能存在電子的帶正電的點(diǎn)。

像硅這樣的大塊光伏材料吸收光，產(chǎn)生自由流動并發(fā)電的電子和空穴。但Jariwala解釋說，在任何納米級或低維材料中，產(chǎn)生的電荷都會以激子的形式結(jié)合在一起，“激子開始主導(dǎo)這些半導(dǎo)體的性質(zhì)。如果你不考慮激子，你就不知道真正的理論極限。”

要用2D材料制造一個(gè)實(shí)用的太陽能電池，關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)出一種能捕獲光線并最大限度地吸收光線的設(shè)計(jì)。否則，大部分光線都會通過。因此，研究人員制作了一種特殊的光捕獲晶格結(jié)構(gòu)，看起來像一層蛋糕。該結(jié)構(gòu)交替重復(fù)放置在反光金層上的二硫化鉬和氧化鋁層。這種結(jié)構(gòu)吸收了超過90%的入射光。

通過優(yōu)化材料厚度和其他器件參數(shù)，并考慮激子物理，研究人員計(jì)算出的最大效率幾乎為13%。

與最先進(jìn)的硅太陽能電池25%的效率相比，這個(gè)數(shù)字很小。但這些都是微米甚至毫米厚。Jariwala說：“這種太陽能電池中的2D半導(dǎo)體厚度為4納米。因此，厚度和整體重量存在巨大差異。就比功率而言，這些確實(shí)可以給你帶來創(chuàng)紀(jì)錄的性能。這是關(guān)鍵優(yōu)勢。對于輕型或遠(yuǎn)程電源應(yīng)用來說，這是一種很好的材料。”

考慮到其理論效率和納米級厚度，研究人員計(jì)算出他們提出的器件的比功率接近200W/g。他們在6月6日發(fā)表在《設(shè)備》雜志上的一篇文章（https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(23)00003-0）中表示，這是商用碲化鎘電池比功率的十倍之多。

有機(jī)太陽能電池是另一種很有前途的薄膜技術(shù)，具有150W/g的高比功率。但Jariwala說，與這些設(shè)備中使用的有機(jī)聚合物相比，TDM材料更穩(wěn)定，不會隨著時(shí)間的推移而降解。“所以它們是兩全其美的。它們不僅具有有機(jī)太陽能電池的光學(xué)特性，同時(shí)還有無機(jī)太陽能電池的化學(xué)和物理特性。”

研究人員的下一步是制造一個(gè)真正的太陽能電池。他們必須找出電極和觸點(diǎn)的最佳材料，如何將它們放在2D晶格結(jié)構(gòu)上，然后有效地收集電荷。Jariwala說，然后，將太陽能電池?cái)U(kuò)大到更大的尺寸應(yīng)該相對簡單。

Jariwala說：“我們知道如何捕獲光，并將其吸收在大面積的極薄結(jié)構(gòu)中。現(xiàn)在剩下的是一個(gè)電子工程問題。希望在未來一年左右，我們能夠?qū)@種太陽能電池進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)演示。這些都是薄膜材料。它們將經(jīng)歷與硅、砷化鎵或任何其他無機(jī)半導(dǎo)體材料相同的納米制造。從化學(xué)角度來看，它們與已經(jīng)商業(yè)化的碲化鎘非常相似。看不出你有什么理由不能把這些東西商業(yè)化。”