新型半导体，突破太阳能材料矛盾

牛津大学主导的一项研究发现了一种新型半导体，它攻克了光捕获材料的一项关键短板。该成果于10月28日发表在《Nature》上，有望研发出转换效率更高、输出功率更大的太阳能电池板。

制约太阳能电池的取舍矛盾

目前太阳能领域存在一个核心难题：吸光能力越强的材料，往往把光能转化为电能的效率反而越低。

太阳能电池依靠半导体材料工作。半导体吸收太阳光，利用光能释放出带负电的微小粒子 —— 电子，同时留下带正电的空位，也就是空穴。想要产生电流，必须在电子和空穴相遇湮灭、白白损耗能量之前，把这些电荷收集起来。由此带来一个根本性难题：吸光能力强的半导体，电荷消失的速度通常也更快。这一取舍矛盾限制了太阳能电池的光电转换效率上限。

硫化铋打破固有规律

在这项新研究中，研究人员发现硫化铋有望绕开该矛盾。原因在于它具备特殊的能级排布：既能高效吸收光线，又能减缓电荷的消失速度，为设计更高效率的太阳能电池提供了新思路。

“研发高性能太阳能材料长期面临一个难题：让半导体高效吸光的特性，往往也会让生成的电荷快速湮灭。” 论文通讯作者、牛津大学物理系Laura Herz教授表示，“我们的研究证明，这种取舍关系并非不可避免。我们揭示了一种特殊电子结构，它可以同时实现强吸光能力与更慢的电荷复合，找到了半导体材料设计的新原理，助力更高效地捕获太阳能。”

电荷 “蓄水池” 延缓电荷损耗

研究团队用超短激光脉冲激发硫化铋薄膜，再借助超快太赫兹光谱技术，测量生成电荷的衰减速度。测试温度覆盖室温至接近绝对零度。

牛津大学物理系Marina Filip教授团队通过电子结构计算，解释了这种材料的特殊之处。它主要依靠一组能级间的跃迁实现强吸光；而在这组能级下方，还有另一组跃迁强度弱很多的通道，电荷在这个通道中衰减很慢。两组能级的能量非常接近，大量电荷会停留在这些低能态中，相当于一个临时 “蓄水池”，延缓电荷损耗。

实验结果印证了这套理论。大多数半导体降温后，电荷衰减会变快；但硫化铋恰恰相反，降温后更多电荷进入蓄水池态，电荷衰减变得更慢。这和团队建立的准直接带隙半导体（pseudo-direct semiconductor）模型吻合。

团队估算，在室温条件下，和吸光能力相当的传统材料相比，这种结构能把电荷损耗速率降低约75%。“这项发现令人振奋的地方在于，我们不只是优化已有半导体的某项性能，而是发现了半导体一种全新的工作方式。”Laura Herz说，“理解这套机理，相当于拿到一份路线图，有助于发掘甚至人工制备其他具备同类优异特性的材料。”

长寿命电荷赋能太阳能技术

该发现对太阳能有两方面重要价值：寿命更长的电荷更容易被收集，在保留强吸光能力的前提下，减少太阳能电池里一项根本性的能量损耗。同时，更长的电荷存续时间，也能为光制燃料所需的化学反应留出充足时间。

团队的计算表明，可以通过筛选材料数据库，或是人工设计，找到具备同类特性的其他材料。研究人员强调，这项研究揭示的是一种物理机理，并非成品太阳能电池，还需要后续研究，把该成果转化为性能升级的太阳能电池技术。