常规太阳能电池具有100%的最大外部量子效率（EQE）：对于每一个入射到电池上的光子，它们都会产生一个光激发电子。近年来，科学家们试图通过开发材料来改进这一点，这种材料可以为每吸收一个光子“释放”多个电子。由物理学家领导的团队Chinedu Ekuma公司属于李海大学美国现在已经实现了这一目标，生产出EQE高达190%的材料，几乎是硅太阳能电池的两倍。

该团队通过在硒化锗（GeSe）和硫化锡（SnS）原子薄层之间插入铜原子来制造新化合物。所得材料的化学式为Cu_x个GeSe/SnS，研究人员利用所谓的范德瓦尔斯缺口开发了它。这些原子级的小间隙存在于二维材料层之间，它们形成“口袋”，可以将其他元素插入其中（或“插入”），以调整材料的属性。

中间带隙态

里海大学的研究人员将这种材料的EQE增加归因于中间带隙态的存在。这些不同的电子能级出现在材料的电子结构中，使其能够在广泛的太阳辐射波长范围内非常有效地吸收光。在这种新材料中，这些能级约为0.78和1.26电子伏特（eV），处于该材料能够有效吸收阳光的范围内。

这种材料在电磁光谱的红外和可见光区域工作得特别好，平均每个入射光子产生近两个光激发的电荷载流子（电子和空穴结合在被称为激子的准粒子中）。根据Ekuma的说法，这种“多激子产生”材料可以作为太阳能电池装置内的活性层，其性能基本上由激子物理决定。Ekuma解释道：“这种活性层对于通过促进材料中激子的产生和传输来提高太阳能电池的效率至关重要。”。

实际设备需要进一步研究

研究人员使用先进的计算模型来优化材料中光活性层的厚度。他们计算出，通过确保其保持薄（在所谓的准2D极限内）以防止量子限制损失，可以增强其EQE。Ekuma解释说，这是一个关键因素，它通过一种称为非辐射复合的过程影响有效激子的产生和传输，在这种过程中，电子和空穴有时间进行复合，而不是被迅速分开以产生有用的电流。他说：“通过保持量子限制，我们保持了这种材料将吸收的阳光有效转换为电能并以最高效率运行的能力。”。

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应变引导二维材料中激子的流动

虽然这种新材料是开发下一代高效太阳能电池的一种很有前途的候选材料，但研究人员承认，在将其集成到现有的太阳能系统中之前，还需要进一步的研究。Ekuma告诉我们：“我们现在正在进一步探索这种嵌入材料家族，并通过各种材料工程流程优化其效率。”物理世界.

该研究详见科学进展.