【产通社，6月20日讯】尽管太阳能电池近年来取得了一些进步，但在重量最小化上仍有不足之处。2D半导体材料曾被认为是一种可能的解决方案，它们却一直受到低效率的阻碍。

现在，通过优化材料和设计，用2D半导体材料制成的太阳能电池的效率可以达到以前这种器件的两倍。研究人员提出的设计让今天的薄膜太阳能电池物有所值，拥有当今所有薄膜技术中最高的单位重量功率，几乎是每克200瓦。

宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）电气和系统工程师Deep Jariwala说，这种超轻、柔性太阳能电池可用于基于空间的太阳能电池阵列、航天器、卫星、无人机、可穿戴电子设备，以及“为任何重量敏感的地方供电”。

Jariwala和他的同事正在研究由2D半导体制成的太阳能电池，这种半导体被称为过渡金属二硫族化物(TMDs)，其中包括硒化钨和二硫化钼等材料。十多年来，研究人员一直将TMD作为薄膜电子器件和传感器的组件进行研究。在过去的五年里，人们对它们的光伏特性越来越感兴趣。虽然最初几个TMD太阳能电池的效率低于1%，但Jariwala的团队去年报告了效率超过5%的设备。

激子

尽管取得了实际进展，迄今为止还没有人准确计算出TMD太阳能电池的最终理论效率极限。对效率极限进行理论预测的人没有考虑一个重要的参数：激子（exciton），这是一对束缚的电子和空穴，是原子结构中带正电荷的点，电子可以存在于其中。

硅等块状光伏材料吸收光线，产生自由流动的电子和空穴，从而产生电能。Jariwala解释说，在任何纳米尺度或低维材料中，产生的电荷作为激子束缚在一起，这开始支配这些半导体的特性。如果你不考虑激子，就不知道真正的理论极限。

要用2D材料制造出实用的太阳能电池，关键是要设计出一种能捕捉光线并最大化吸收的设计。否则，大部分的光都会通过。因此，研究人员制作了一种特殊的陷光晶格结构，看起来像一个分层蛋糕。该结构交替重复放置在反光金层上的二硫化钼和氧化铝层。这种结构吸收了超过90%的入射光。

通过优化材料厚度和其他设备参数，并考虑激子物理学，研究人员计算出最大效率约为13%。

与最先进的硅太阳能电池25%的效率相比，这是很小的。但是这些厚度只有几微米甚至几毫米。“太阳能电池中的2D半导体厚度为4纳米，”Jariwala说。“所以厚度和总重量有很大的差异。在比功率方面，这些真的可以给你创纪录的性能，这是关键优势。对于轻型或远程电源应用，这是一种很好的材料。”

集动力和持久性于一身

鉴于理论效率和纳米尺度的厚度，研究人员计算出他们提出的器件的比功率接近200W/g。他们在《设备（Device）》杂志6月6日的一篇文章中表示，这是商用碲化镉电池比功率的十倍。

另一种有前途的薄膜技术有机太阳能电池具有150W/g的高比功率。但与这些器件中使用的有机聚合物相比，TDM材料更稳定，不会随着时间的推移而降解，Jariwala说。“它们是两全其美的。它们拥有有机太阳能电池的光学特性，也具有无机太阳能电池的化学和物理特性。”

研究人员的下一步是制造真正的太阳能电池。他们将不得不找出电极和触点的最佳材料，如何将它们放在2D晶格结构上，然后有效地收集电荷。然后，将太阳能电池扩大到更大的尺寸应该相对简单，Jariwala说。

“我们知道如何捕捉光线，并让它在极薄的结构中被大面积吸收，”Jariwala说。“现在剩下的是一个电子工程问题，希望在接下来的一年左右，我们能够对这种太阳能电池进行一些实验演示。这些是薄膜材料，它们将经历与硅、砷化镓或任何其他无机半导体材料相同的纳米加工。在化学方面，它们与已经商业化的碲化镉非常相似。我看不出你有任何理由不能将这些商业化。”（编译：张底剪报镨媒体；来源：http://spectrum.ieee.org/solar-cells）