利哈伊大學的研究人員創造了一種革命性的太陽能電池材料，其外部量子效率高達190%，超越了傳統的效率極限，顯示出增強未來太陽能係統的巨大前景。在美國能源部的資助下，實際應用還需要進一步的開發。它顯示出推動高效能下一代太陽能電池開發的巨大潛力，而下一代太陽能電池對滿足全球能源需求至關重要。

美國利哈伊大學的研究小組創造了一種材料，它可以大大提高太陽能板的效率。

使用這種材料作為太陽能電池活性層的原型顯示出80% 的平均光電吸收率、很高的光激發載流子生成率以及前所未有的高達190% 的外部量子效率(EQE)–這遠遠超過了矽基材料的蕭克利-奎塞爾理論效率極限，並將光伏量子材料領域推向了新的高度。

Chindeu Ekuma。資料來源：利哈伊大學

物理學教授Chinedu Ekuma 在《科學進展》（Science Advances）雜誌上發表了他與利哈伊大學博士生Srihari Kastuar 合作開發這種材料的論文。

先進的材料特性

這種材料的效率飛躍主要歸功於其獨特的”中間帶態”，即材料電子結構中的特定能階，使其成為太陽能轉換的理想選擇。

這些態的能階在最佳子帶間隙內，即材料能有效吸收陽光並產生電荷載子的能量範圍，約為0.78 和1.26 電子伏特。

此外，這種材料在電磁波譜的紅外線和可見光區域的高吸收率表現尤為出色。

以CuxGeSe/SnS 為活性層的薄膜太陽能電池示意圖。資料來源：Ekuma 實驗室/利哈伊大學

在傳統太陽能電池中，最大EQE 為100%，即每吸收一個太陽光光子，就能產生並收集一個電子。然而，過去幾年中開發的一些先進材料和配置已證明能夠從高能量光子產生和收集一個以上的電子，即EQE 超過100%。

斯里哈里-卡斯圖阿爾，利哈伊大學。資料來源：利哈伊大學

雖然這種多重激子生成（MEG）材料尚未廣泛商業化，但它們有可能大大提高太陽能發電系統的效率。在Lehigh 開發的材料中，中間帶態能夠捕捉傳統太陽能電池透過反射和產熱等方式損失的光子能量。

材料開發與潛力

研究人員利用”范德華間隙”（層狀二維材料之間的原子級微小間隙）開發出了這種新型材料。這些間隙可以限制分子或離子，材料科學家通常利用它們來插入或”插層”其他元素，以調整材料特性。

為了開發新型材料，利哈伊大學的研究人員在硒化鍺（GeSe）和硫化錫（SnS）製成的二維材料層之間插入了零價銅原子。

Ekuma 是計算凝聚態物理方面的專家，在對該系統進行了大量計算機建模並證明其理論前景後，他開發了這一原型作為概念驗證。

他說：”其快速反應和更高的效率有力地表明了銅摻雜GeSe/SnS作為一種量子材料在先進光伏應用中的使用潛力，為提高太陽能轉換效率提供了一條途徑。這是開發新一代高效能太陽能電池的理想候選材料，將在滿足全球能源需求方面發揮至關重要的作用。

雖然將新設計的量子材料整合到目前的太陽能係統中還需要進一步的研究和開發，但埃庫馬指出，用於製造這些材料的實驗技術已經非常先進。隨著時間的推移，科學家們已經掌握了將原子、離子和分子精確地插入材料的方法。

編譯自: ScitechDaily