激子裂变增强硅基太阳能电池的研究：突破单结效率极限，开辟高效光伏新路径

本文聚焦硅基太阳能电池单结效率瓶颈，提出通过并四苯（Tc）单线态激子裂变（SEF）与硅电池耦合提升效率。利用锌酞菁（ZnPc）介导电荷转移，结合氧化铝（AlO?）钝化层，实现光子吸收电荷生成效率 138%±6%，为低成本高效光伏提供新方向。

　　

研究背景与挑战

单结晶体硅（c-Si）太阳能电池正逼近 29% 的理论效率极限，可见光和紫外光谱的热化损失制约其进一步提升。1979 年 D.L. Dexter 提出激子裂变概念，通过某些分子的激发态分裂，可使硅电池在可见光区性能翻倍，且保留传统单结架构，兼具成本与稳定性优势。然而，分子激发态与硅电池的耦合长期存在挑战，此前直接转移激子的尝试效果不佳。

核心研究方法与设计

研究提出双组分界面设计以实现激子与硅的高效耦合。首先，引入锌酞菁（ZnPc）作为电子供体材料，其最高占据分子轨道（HOMO）能级高于并四苯（Tc），能通过时序电荷转移机制，先将电子转移至硅形成 D⁺-A_Si^?中间态，再完成空穴转移。其次，采用约 1 nm 厚的氧化铝（AlO?）作为钝化层，减少硅表面载流子复合，同时允许电荷隧穿。

器件设计采用浅 pn 结结构，包括传统平面几何和具有浅径向结的微线（MW）太阳能电池。微线结构通过锥形硅微线阵列增强光吸收，减少反射损失，浅结设计缩短少数载流子传输距离，提升表面载流子收集效率。制备过程中通过热蒸发沉积 1.5 nm ZnPc 和 30 nm Tc，形成有机层 / 硅界面。

关键实验结果

紫外光电子能谱显示，ZnPc 与高掺杂 n 型硅（n⁺-Si）界面的电荷分离态能量处于 Tc 三重态能量（1.25 eV）与硅带隙（1.1 eV）之间，支持时序电荷转移，而 p 型硅（p⁺-Si）界面存在显著电子转移势垒，不利于能量传递。n⁺-p 微线器件在沉积 Tc/ZnPc 后，外量子效率（EQE）在 520 nm 处从 81.6% 提升至 87.9%，短路电流密度增强，功率转换效率提高，且未显著影响开路电压和填充因子。对照实验表明，缺少 ZnPc 或使用厚钝化层会导致 Tc 吸收阴影，证实 ZnPc 和薄钝化层的关键作用。

效率分析与前景展望

通过传输矩阵模型拟合 EQE 数据，测得 Tc 敏化效率 η_Tc为 138%±6%，超过传统硅电池量子效率极限，验证了激子裂变与硅电池耦合的有效性。研究指出，未来可通过先进钝化层技术、优化有机层覆盖和采用光稳定材料替代 Tc，进一步提升效率，向每光子产生两个电子的理论极限迈进。该研究成功实现了 Dexter 早年设想，为突破硅基光伏单结效率瓶颈、推动低成本高效可再生能源技术发展奠定了基础。