随着光伏技术的进步，光伏发电的成本还在稳步降低，根据国际能源署《世界能源展望》的估计，光伏将成为历史上最便宜的电力来源。而最近有一种新材料可能会重新定义太阳能电池的效率，让未来太阳能电池技术发生一次重大飞跃，也许为了太阳能汽车或飞机能实现仅靠自身背负的太阳能电池板供电就能持续行驶了。

　　据4月12日《Science Advances（科学进展）》杂志报道，美国理海大学研究人员开发出一种新材料，可大幅提高太阳能电池板效率。使用该材料作为太阳能电池活性层的原型电池，表现出80%的平均光伏吸收率、高光生载流子生成率以及高达190%的外量子效率（EQE）。

　　这一指标远远超过了硅基材料的肖克利-奎瑟理论效率极限。研究人员表示，这项工作代表着在理解和开发可持续能源解决方案的一次重大飞跃。未来，这种创新方法可能将重新定义太阳能的效率和可及性。

　　外部量子效率EQE（External Quantum Efficiency）是衡量光伏器件性能的关键指标之一。它表示入射太阳光在光伏电池中产生自由电子－空穴对的效率。理论上传统太阳能电池的最大外量子效率（EQE）不能超过100%，代表从太阳光吸收的每个光子最多产生并收集一个电子。

　　目前的单结太阳能电池，EQE通常在80%-90%左右，比如硅光伏电池的EQE一般低于90%，铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏电池的平均吸收率通常在90%以上，因此CIGS被认为有较好的发展前景。

　　然而，过去几年开发的一些先进材料和结构已经证明能够从高能光子中产生和收集多个电子，也就是说EQE可以超过100%。而这种新材料在低能光子的利用上有更高的效率。

　　这种新材料能够做到高达190%的外部量子效率（EQE）是因为它有独特的“中间能带态”。在半导体中，“中间能带”指在一块半导体材料中，在传统的价带和导带中间，还存在一个能量较低的能带——中间带。

　　研究人员将铜（Cu）原子插入硒化锗（GeSe）和硫化锡（SnS）的二维薄层材料的“范德华间隙”中，让这种材料处于“中间能带态”。

　　中间能带像一个台阶，传统单结太阳能电池中无法利用的低能量光子可以激发电子从价带跃迁到中间能带，然后通过第二步跃迁从中间能跃迁到导带，从而产生可以被外部电路利用的电荷载流子。因此有中间能带态的材料允许吸收的光子能量在低于材料带隙的能量的情况下，仍然产生电子－空穴对。

　　而在插入铜原子后，新的CuxGeSe/SnS量子材料中就形成了中间能带，新生的两个子带隙为0.78eV和1.26eV，这与理论上的高效中间能带太阳能电池的理想子带隙数值非常接近。

　　在传统单结太阳能电池中低能量光子是无法被有效利用的，比如硅的带隙宽度为1.12电子伏特（eV），那么低于1.12eV的就很难被利用。因此，拥有中间能带态的半导体能显著提高太阳能电池的光电转换效率。目前这款太阳能电池的原型在可见光（光子能量较高）和近红外范围（光子能量较低）都具有很高吸收率，外部量子效率可达190%以上，突破了传统硅基太阳能电池的肖克利-奎瑟效率极限。

　　当然，这一新材料的研究处于初期阶段，要实现商业化应用还需进一步优化其性能和降低成本。研究人员表示，这一突破代表着在理解和开发可持续能源解决方案的一次重大飞跃。

　　这一突破对太阳能领域具有深远意义。高效率的太阳能电池将大大提高光伏发电的效率，使太阳能成为最具竞争力的可再生能源。未来，这种新材料有望广泛应用于太阳能汽车、飞机等领域，实现仅靠自身太阳能电池板供电就能持续行驶的美景。

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