對于更綠色和更可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)，建造更好、更強(qiáng)大的太陽能電池是清潔能源領(lǐng)域的一個關(guān)鍵研究目標(biāo)。但是，在典型的單結(jié)太陽能電池中，性能被限制在所謂的Shockley-Queisser極限(太陽能電池可以達(dá)到的最大效率的理論極限)。效率決定了太陽能電池吸收的光能(光子)有多少可以轉(zhuǎn)化為可用電流。Shockley-Queisser極限使基于半導(dǎo)體的太陽能電池的最大可能效率為33.7%。

多年來，科學(xué)家們一直在探索和開發(fā)太陽能電池設(shè)計和材料的新范例，試圖接近甚至超過這個效率極限。他們尚未成功，但由于最近的研究，前景正在改善。

太陽能電池效率低下的原因可能有很多。一個主要原因是多余能量的熱化。在此熱化過程中，帶電粒子(電子和空穴)對吸收的多余能量(即，比粒子在材料結(jié)構(gòu)內(nèi)移動并發(fā)電所需的能量更多)作為熱量損失到材料的晶格結(jié)構(gòu)中.研究表明，在典型的單結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池中，近50%的吸收太陽能會因熱化而損失。如果這種能量也能被捕獲并轉(zhuǎn)化為電能，那么太陽能將成為一種非常強(qiáng)大的可持續(xù)資源。

幾十年前，兩位科學(xué)家RTRoss和AJNozik提出了一種稱為熱載流子太陽能電池(HCSC)的新型太陽能電池，在這種太陽能電池中，多余的能量可以在失去之前被收集起來。在HCSC中，想法是隔離攜帶多余能量的粒子(熱載流子)并將它們存儲在晶格結(jié)構(gòu)中，這樣能量就不會丟失。隨后的實驗證明了分離熱載流子的可能性。但迄今為止，尚未建立可操作的HCSC。

現(xiàn)在，由亞利桑那州立大學(xué)和俄克拉荷馬大學(xué)的研究人員在DavidK.Ferry的領(lǐng)導(dǎo)下發(fā)表在JournalofPhotonicsforEnergy(JPE)上的一份報告提出了HCSC必須滿足的許多條件。并探索滿足這些條件的方法。

根據(jù)JPE主編SeanShaheen的說法，“該論文闡明了一種實現(xiàn)熱載流子太陽能電池的新途徑，它可以超過太陽能電池的典型效率限制。擬議的途徑涉及在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中使用衛(wèi)星谷，其中熱載流子可以在不損失能量的情況下暫時存儲。雖然它沒有提供解決問題的完整方法，但它提供了一種理解和設(shè)計熱載流子太陽能電池的不同方式，可以激勵其他研究人員基于概念。”

當(dāng)處于較低能量水平(稱為價帶)的帶電粒子獲得足夠的能量以跨越能隙以達(dá)到稱為導(dǎo)帶的高能級時，半導(dǎo)體會導(dǎo)電，并且可以自由移動。提出的新方法涉及在導(dǎo)帶中的較高能量谷或局部最大值中隔離熱載流子。Ferry解釋說：“谷光伏方法有助于通過將粒子的動能變?yōu)閯菽軄頊p少熱量損失;也就是說，將能量的形式從一種可以損失的形式改變?yōu)橐环N可以儲存的形式。”

科學(xué)家們能夠在基于銦鎵砷和鋁(InGaAs/InAlAs)的半導(dǎo)體材料中闡明這種方法，該半導(dǎo)體材料對光敏感，因此是太陽能電池的潛在材料。

該論文為未來研究提高太陽能電池的效率奠定了重要基礎(chǔ)，為潛在的第三代太陽能電池打開了大門，這些太陽能電池的工作方式與現(xiàn)有電池截然不同，可以突破Shockley-Queisser極限，實現(xiàn)Ross和諾齊克。

太陽能經(jīng)濟(jì)即將到來，我們所有人的未來都可能更加光明。