美國太陽能重大突破！電池板效率暴漲3倍，違背宇宙法則？

這可能是能源領域的重大突破，美國理海大學（Lehigh University）宣佈，他們已開發出一種原子級厚度的量子材料，外量子效率（EQE）達到了前所未有的190%，可以將63%的陽光能量轉換爲電能，遠遠超過了33.7%的肖克利-奎伊瑟極限。

這是一個什麼概念呢？目前商業太陽能電池板的轉換效率大約在15%-20%，如果把它們全部換成這種量子材料電池板，全球太陽能發電量一下子就能增加到三四倍，難怪西班牙ECO新聞稱，這種太陽能電池板根本就不應該存在，因爲它違背了宇宙規律。

理海大學的量子材料名爲銅摻雜鍺硒/硫化錫異質結構複合材料（CuxGeSe/SnS），其原理是將零價原子（如銅），插入到原子級厚度的二維鍺硒化物（GeSe）和硫化錫（SnS）異質結構界面的範德華間隙中，形成可以增強近紅外到可見光範圍吸收和載流子生成的中間帶態，讓電荷載流子（空穴）在能量和自發空間上都受到限制，從而減少了非輻射覆合，提高了量子效率。在某些波長範圍內，平均每100個入射光子可以產生多達190個電子，從而在廣泛的太陽光波長範圍內實現了約190%的外部量子效率。

範德華間隙是層狀二維材料之間的微小間隙，可以容納原子、分子或離子。

這個原理看起來很複雜，簡而言之就是，目前的商用太陽能電池板只能把15%到20%的入射光線轉換成電能，其餘的都變成熱能散發掉了。而這種材料限制了電子和空穴的自由運動，從而減少了電子和空穴的產熱結合，可以讓電池板產生更多的電能，最多竟然達到了肖克利-奎伊瑟極限的190%，也就是說可以把入射光線的63%轉換成電能！

這是迄今爲止任何太陽能組件能夠達到的最大效率，目前實驗室多晶硅能達到的最大效率爲20.4%，單晶硅爲25%，多層電池可以更高。2023年中國隆基綠能推出串聯硅/鈣鈦礦電池，效率達到了33.9%，這是硅基電池首次突破SQ極限。

理論上雙層電池可達42%，三層爲49%，無限多層可達68.7%，聚光日照甚至可達86.8%。實驗室中的最大紀錄是美國國家可再生能源實驗室的六結III-V太陽能電池在2020年創造的，轉換效率達到了47.1%。但這是在143倍太陽光強度的聚集光線下實現的，正常太陽光下則只有39.2%。

所以你就可以想象，理海大學的這項突破具有多麼重大的意義了，對太陽能技術來說可能是顛覆性的。而且根據該大學的說法，利用先進技術將零價元素插入納米級原子薄層材料的範德華間隙，已經是一種成熟可靠的技術，只是將這種材料集成到現有光伏系統的過程仍需進一步完善和研究。

這項研究發表在4月10日《科學進展》雜誌上。

參考：

Chemically tuned intermediate band states in atomically thin CuxGeSe/SnS quantum material for photovoltaic applications,SCIENCE ADVANCES,10 Apr 2024,Vol 10, Issue 15, DOI: 10.1126/sciadv.adl6752