尽管近年来取得了进步，但在必须将重量降至最低的情况下，太阳能电池仍有一些不足之处。二维半导体材料一直被认为是一种可能的解决方案，但它们在历史上一直受到效率低下的阻碍。
研究人员表示，现在，通过优化材料和设计，用二维半导体材料制成的太阳能电池的效率可以达到以前此类设备的两倍。他们提出的设计让当今的薄膜太阳能电池物超所值，拥有当今所有可用薄膜技术中单位重量的最高功率，几乎每克 200 瓦。
宾夕法尼亚大学的电气和系统工程师Deep Jariwala说，超轻、灵活的太阳能电池可用于太空太阳能电池阵列、航天器、卫星、无人机、可穿戴电子设备，以及“为任何重量有问题的东西供电”。
Jariwala 及其同事正在研究由称为过渡金属二硫化物(TMD) 的二维半导体制成的太阳能电池，其中包括硒化钨和二硫化钼等材料。十多年来，研究人员一直在研究 TMD作为薄膜电子器件和传感器的组件。在过去的五年中，人们对其光伏特性的兴趣越来越大。虽然最初的几个 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。
令人兴奋的激子
但是，尽管取得了实际进展，但到目前为止，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参数：激子，它们是电子和空穴的束缚对，它们是原子结构中可能存在电子的带正电点。
像硅这样的块状光伏材料吸收光以产生自由流动并发电的电子和空穴。但在任何纳米级或低维材料中，Jariwala 解释说，产生的电荷会像激子一样束缚在一起，“激子开始支配这些半导体的特性。如果你不考虑激子，你就不知道真正的理论极限。”
要用二维材料制作实用的太阳能电池，关键是要设计出一种能捕获光并最大限度地吸收光的设计。否则，大部分光都会通过。因此，研究人员制作了一种特殊的光捕获晶格结构，看起来像一层蛋糕。该结构交替放置在反光金层顶部的二硫化钼和氧化铝的重复层。这种结构吸收了超过 90% 的进入它的光线。
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接近 13%。
与最先进的硅太阳能电池 25% 的效率相比，这个数字很小。但那些是微米甚至毫米厚的。“这种太阳能电池中的二维半导体厚度为 4 纳米，”Jariwala 说。“因此厚度和整体重量存在巨大差异。这些真的可以让你在比功率方面达到创纪录的性能。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。”
力量和持久性合二为一
鉴于其理论效率和纳米级厚度，研究人员计算出他们提出的设备的比功率接近 200 W/g。这是商业碲化镉电池比功率的十倍，他们在 6 月 6 日发表在Device杂志上的一篇文章中展示了这一点。
有机太阳能电池是另一种有前途的薄膜技术，具有 150 W/g 的高比功率。但与这些设备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。“所以他们是两全其美的。它们具有有机太阳能电池的光学特性，但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实际的太阳能电池。他们将不得不找出电极和触点的最佳材料，如何将它们放置在二维晶格结构上，然后有效地收集电荷。Jariwala 说，然后，将太阳能电池缩放到更大的尺寸应该相对简单。
“我们知道如何捕获光并使其在大面积的极薄结构中被吸收，”Jariwala 说。“现在剩下的是电子工程问题。希望在未来一年左右，我们应该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。它们将经历与您用于硅或砷化镓或任何其他无机半导体材料的相同类型的纳米加工。在化学方面，它们与已经商业化的碲化镉非常相似。我看不出有任何理由不能将这些商业化。”
