2026 年 10 月 28 日
来源：牛津大学 / Phys.org
由牛津大学领导的一项最新研究揭示了一种新型半导体材料的工作机制，该发现有望显著提升太阳能电池板的转换效率。相关成果于今日发表在《自然》杂志上。
打破“吸收与传输”的传统权衡
当前太阳能技术面临一个核心物理限制：通常而言，光吸收能力越强的半导体材料，其内部电荷（电子和空穴）的复合速度也越快，导致捕获的光能难以高效转化为电能。
在太阳能电池中，半导体吸收阳光后释放电子以产生电流。关键在于，这些电荷必须在电子与空穴相遇并相互抵消之前被收集。然而，传统材料中存在一种根本性的权衡——强光吸收往往伴随着快速的电荷损失，这限制了电池的整体效率。
硫化物材料的独特电子结构
研究人员发现，硫化物类半导体能够规避上述权衡。得益于其不同寻常的能量层次安排，这种材料既能强烈吸收光线，又能显著减缓电荷的损失速度。
牛津大学物理系教授、该研究主要作者劳拉·赫兹（Laura Herz）表示：“开发高效太阳能材料的一个长期挑战在于，半导体良好的吸光特性通常会导致产生的电荷迅速消失。我们的研究表明，这种权衡并非不可避免。通过发现一种不寻常的电子结构如何将强光吸收与更慢的重组相结合，我们确立了设计半导体的新原理，有助于更高效地采集太阳能。”
实验验证：低温下电荷寿命反而延长
研究团队利用极短激光脉冲激发薄层硫化物薄膜，并通过超快太赫兹光谱技术测量电荷消失的速度。实验温度范围涵盖从室温至接近绝对零度。
物理学系教授玛丽娜·菲利普（Marina Filip）团队的计算模型揭示了该材料的微观机制：它主要通过能量水平之间的强路径吸收光线；而在这些能量水平下方，存在第二条较弱的路径，电荷仅通过此路径缓慢消失。由于这两条路径在能量上非常接近，大部分电荷会停留在低能量状态中，形成临时的“储存库”，从而延缓了电荷的损失。
实验结果证实了这一理论。与传统半导体随温度降低电荷消失加快不同，在该硫化物材料中，随着温度降低，更多电荷沉积在“储存库”中，导致电荷消失速度变慢。这一现象符合研究团队提出的“伪直接半导体”模型。
据估算，在室温条件下，与传统吸光材料相比，该机制可将电荷丢失速度降低约 75%。
应用前景：从储能到燃料合成
这一发现的意义不仅限于改进现有半导体特性，更为寻找或设计具有类似优势的其他材料提供了路线图。
对于太阳能领域，长寿命电荷意味着更高的收集概率，从而减少基本能量损失。此外，持久的电荷状态也为将阳光转化为化学燃料所需的反应提供了更充裕的时间窗口。
团队指出，通过筛选材料数据库，可以找到具备相同属性的其他材料，或通过工程设计实现类似效果。目前，这项研究主要阐明了物理机制，尚未构成完整的太阳能电池原型，后续仍需进一步研究以将其转化为实际应用的技术改进。
本研究是牛津大学与中国武汉大学的国际合作项目。
参考文献：
Laura Herz et al., Delayed electron-hole recombination in pseudo-direct semiconductors, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11223-x
