光明的未来寻求第三代性能更好的太阳能电池

对于更绿色和更可持续的经济，建造更好、更强大的太阳能电池是清洁能源领域的一个关键研究目标。但是，在典型的单结太阳能电池中，性能被限制在所谓的Shockley-Queisser极限(太阳能电池可以达到的最大效率的理论极限)。效率决定了太阳能电池吸收的光能(光子)有多少可以转化为可用电流。Shockley-Queisser极限使基于半导体的太阳能电池的最大可能效率为33.7%。

多年来，科学家们一直在探索和开发太阳能电池设计和材料的新范例，试图接近甚至超过这个效率极限。他们尚未成功，但由于最近的研究，前景正在改善。

太阳能电池效率低下的原因可能有很多。一个主要原因是多余能量的热化。在此热化过程中，带电粒子(电子和空穴)对吸收的多余能量(即，比粒子在材料结构内移动并发电所需的能量更多)作为热量损失到材料的晶格结构中.研究表明，在典型的单结半导体太阳能电池中，近50%的吸收太阳能会因热化而损失。如果这种能量也能被捕获并转化为电能，那么太阳能将成为一种非常强大的可持续资源。

几十年前，两位科学家RTRoss和AJNozik提出了一种称为热载流子太阳能电池(HCSC)的新型太阳能电池，在这种太阳能电池中，多余的能量可以在失去之前被收集起来。在HCSC中，想法是隔离携带多余能量的粒子(热载流子)并将它们存储在晶格结构中，这样能量就不会丢失。随后的实验证明了分离热载流子的可能性。但迄今为止，尚未建立可操作的HCSC。

现在，由亚利桑那州立大学和俄克拉荷马大学的研究人员在DavidK.Ferry的领导下发表在JournalofPhotonicsforEnergy(JPE)上的一份报告提出了HCSC必须满足的许多条件。并探索满足这些条件的方法。

根据JPE主编SeanShaheen的说法，“该论文阐明了一种实现热载流子太阳能电池的新途径，它可以超过太阳能电池的典型效率限制。拟议的途径涉及在半导体能带结构中使用卫星谷，其中热载流子可以在不损失能量的情况下暂时存储。虽然它没有提供解决问题的完整方法，但它提供了一种理解和设计热载流子太阳能电池的不同方式，可以激励其他研究人员基于概念。”

当处于较低能量水平(称为价带)的带电粒子获得足够的能量以跨越能隙以达到称为导带的高能级时，半导体会导电，并且可以自由移动。提出的新方法涉及在导带中的较高能量谷或局部最大值中隔离热载流子。Ferry解释说：“谷光伏方法有助于通过将粒子的动能变为势能来减少热量损失;也就是说，将能量的形式从一种可以损失的形式改变为一种可以储存的形式。”

科学家们能够在基于铟镓砷和铝(InGaAs/InAlAs)的半导体材料中阐明这种方法，该半导体材料对光敏感，因此是太阳能电池的潜在材料。

该论文为未来研究提高太阳能电池的效率奠定了重要基础，为潜在的第三代太阳能电池打开了大门，这些太阳能电池的工作方式与现有电池截然不同，可以突破Shockley-Queisser极限，实现Ross和诺齐克。

太阳能经济即将到来，我们所有人的未来都可能更加光明。