激子裂变增效硅基太阳能电池：突破单结极限的138%量子效率新策略

为解决单结硅太阳能电池效率极限（29%）的瓶颈问题，MIT团队通过锌酞菁（ZnPc）/铝氧化物（AlOx ）界面设计，首次实现四并苯（Tc）激子裂变（SF）与硅电池的高效耦合，峰值电荷生成效率达（138%±6%），为低成本高效光伏技术提供新路径。

　　

硅太阳能电池在全球光伏市场中占据主导地位，但其效率提升正面临单结极限（29%）的严峻挑战。传统硅电池无法有效利用高能光子（如蓝绿光）的能量，约40%的太阳光谱能量因热化损失被浪费。如何突破这一瓶颈？1979年Dexter曾提出设想：利用分子单线态激子裂变（singlet exciton fission, SF）将单个高能光子转化为两个电子，理论上可将硅电池效率提升至35%。然而，四十余年来，如何将分子激发态与硅电池高效耦合始终是未解难题。

针对这一挑战，麻省理工学院Marc Baldo团队在《Joule》发表突破性研究。他们创新性地提出“顺序电荷转移”机制，通过锌酞菁（ZnPc）和超薄铝氧化物（AlO_x
）的双层界面设计，首次实现四并苯（tetracene, Tc）激子裂变与硅电池的高效耦合。实验测得峰值电荷生成效率达（138%±6%），远超传统硅电池的量子效率极限，为突破单结极限提供了全新解决方案。

研究团队采用多项关键技术：通过深反应离子刻蚀（DRIE）制备锥形硅微线（MW）阵列以增强光捕获；利用原子层沉积（ALD）构建1 nm AlO_x
隧穿层；采用紫外光电子能谱（UPS）精确测定ZnPc/Tc与硅的能级匹配；通过微波（n⁺
-p/p⁺
-n）对比器件验证电荷转移机制。

ZnPc作为供体材料的关键作用
理论计算与实验证实，ZnPc的最高占据分子轨道（HOMO）比Tc高0.2 eV，其与n⁺
-硅形成的D⁺
-A_Si
^-
电荷分离态能量（1.20 eV）恰位于Tc三重态（1.25 eV）与硅带隙（1.1 eV）之间，为顺序电荷转移创造理想条件。时间相关单光子计数（TCSPC）显示ZnPc可有效淬灭Tc三重态激子。

硅微线太阳能电池的优化设计
采用15 μm长、径向结深300 nm的锥形硅微线结构，结合仅覆盖2%面积的微栅电极，显著提升表面电荷收集效率。1 nm AlO_x
层在钝化表面缺陷的同时保持隧穿能力，而10 nm厚层则完全阻断耦合，证实超薄隧穿层的关键作用。

器件性能的突破性验证
n⁺
-p微线电池在520 nm处EQE从81.6%提升至87.9%，而p⁺
-n器件则出现明显阴影效应，证实能级匹配的决定性影响。通过传输矩阵模型拟合，测得Tc敏化效率η_Tc
达（138%±6%），首次实现硅电池中“一个光子产生多个电子”的物理过程。

这项研究标志着自Dexter理论提出42年来，科学家首次实现激子裂变与硅电池的高效耦合。其创新性体现在三方面：一是提出ZnPc介导的顺序电荷转移新机制；二是开发超薄AlO_x
/硅微线协同架构；三是建立超过100%量子效率的实验标准。尽管Tc的光稳定性等问题仍需优化，但该工作为突破肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisser limit）提供了可扩展的技术路径，对推动光伏技术革新具有里程碑意义。未来通过替代材料开发和界面工程优化，有望将单结硅电池效率提升至35%，加速全球可再生能源转型进程。