西班牙巴塞罗那光电科学研究所（ICFO）的研究团队近日宣布在太阳能电池工程领域取得重要进展，成功突破长期制约单层电池效率的理论瓶颈。
当前主流太阳能电池在将光能转化为电能的过程中，大量能量以热量和逃逸光子的形式损耗。根据物理学中的 Shockley-Queisser 极限理论，标准单层太阳能电池的转换效率上限为 33%。ICFO 团队此次研究的核心在于抑制所谓的“博尔兹曼损失”，即减少电池发出的微弱红外光线造成的能量流失。
通过“镜子盒”效应提升效率
当阳光照射到电池板时，光子激发半导体材料产生电子流，但部分未被及时收集的电子会重新转化为光子并逃逸出电池。为解决这一问题，ICFO 团队对传统透明前电极进行了改造，摒弃了常用的氧化物材料，转而使用一层极薄的银作为前电极。
这种设计限制了光线逃逸的角度，从而提高了整体效率。该研究第一作者弗朗西斯科·伯纳尔·德斯卡表示：“我们的研究是太阳能转换领域的重要一步，因为它开辟了一条完全未经探索的超越 Shockley-Queisser 极限的路线。”
虽然类似的“镜子盒”概念此前曾在理论层面被探讨，但这是首次在实验室环境中实现应用。科学家指出，通过进一步优化该方法，理论上可实现接近 43% 的转换效率，这一数值代表了该技术路径的潜力预测。
多技术路径并行推进
太阳能电池板的能量损失主要源于三个方面：光损失、热损失以及因光子能量不足而无法转化的情况。目前业界主要通过多种技术手段应对这些挑战。
一种常见策略是将不同带隙的材料堆叠在一起，利用更大的带隙捕获更多光谱范围的光子。今年早些时候，中国制造商隆基（Longi）创下了 35.5% 的效率新纪录。此外，钙钛矿材料的带隙可针对特定光波长进行调整，以吸收更高能量的光子。
另一项前沿技术来自九州大学和约翰内斯·古腾堡大学的研究人员，他们最近宣布利用单片裂变方法实现了 130% 的量子产量。需要注意的是，这指的是量子产量而非最终转换效率。该技术通过将高能光子分裂为两个低能光子包来应对热损失，虽有望提升电池效率，但仍需进一步开发才能商业化。
尽管底层物理机制复杂，但这些技术发展的最终目标一致：随着工艺完善与商业化进程加速，从太阳能发电系统中获取更高的电力输出将成为现实。
