该图像显示了计算出的激子从太阳能电池的上四烯层转移到硅衬底的可视化过程。电子用蓝色表示，电子空穴用红色表示。来源:帕德博恩大学的马文·克伦兹

　　自21世纪初以来，德国在太阳能领域取得了重大进展。在2000年，太阳能对其电力生产的贡献不到1%。然而，到2022年，这一比例已上升至约11%。这一增长是由住宅太阳能装置的慷慨财政激励和降低太阳能电池板成本的技术进步共同推动的。

　　随着全球冲突使石油和天然气市场变得不那么可靠，未来几年，太阳能将在帮助满足德国的能源需求方面发挥更大的作用。虽然太阳能技术在过去的四分之一世纪里取得了长足的进步，但现代太阳能电池板中的太阳能电池的平均效率仍然只有22%左右。

　　为了提高太阳能电池的效率，由帕德博恩大学沃尔夫·格罗·施密特教授领导的一个研究小组一直在使用斯图加特高性能计算中心(HLRS)的高性能计算(HPC)资源来研究这些电池如何将光转化为电。最近，该团队一直在使用HLRS的Hawk超级计算机来确定如何设计太阳能电池中的某些战略杂质来提高性能。

　　施密特说:“我们的动机是双重的:在我们位于帕德博恩的研究所，我们已经研究了一种描述光激发材料微观动力学的方法很长一段时间，近年来我们已经发表了许多关于这个主题的开创性论文。”“但最近，我们从柏林亥姆霍兹中心的合作者那里得到了一个问题，他们要求我们帮助他们在基本层面上了解这些细胞是如何工作的，所以我们决定使用我们的方法，看看我们能做些什么。”

　　最近，研究小组用Hawk模拟了激子(一种光激电子和它留下的电子“空穴”的配对)如何在太阳能电池中被控制和移动，从而捕获更多的能量。在研究中，该团队有了一个惊人的发现:他们发现，系统中的某些缺陷，如果有策略地引入，将会改善而不是阻碍激子的转移。研究小组在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。

　　设计更有效的能量转换的太阳能电池

　　大多数太阳能电池，就像许多现代电子产品一样，主要由硅制成。就质量而言，它是地球上仅次于氧的第二丰富的化学元素。我们整个星球大约有15%是由硅组成的，其中包括地壳的25.8%。因此，气候友好型能源生产的基本材料非常丰富，几乎在任何地方都可以获得。

　　然而，这种材料在捕捉太阳辐射并将其转化为电能方面确实存在一定的缺陷。在传统的硅基太阳能电池中，被称为光子的光粒子将其能量传递给太阳能电池中的可用电子。然后电池利用这些被激发的电子产生电流。

　　这个问题?高能光子提供的能量远远超过硅转化为电能的能量。例如，紫光光子大约有3电子伏特(eV)的能量，但硅只能将其中的1.1电子伏特转化为电能。其余的能量以热量的形式损失，这既错过了捕获额外能量的机会，又降低了太阳能电池的性能和耐用性。

　　近年来，科学家们开始寻找改变路线或以其他方式捕获部分多余能量的方法。虽然有几种方法正在研究中，但施密特的团队专注于使用一种分子薄的四烯层(另一种有机半导体材料)作为太阳能电池的顶层。

　　与硅不同的是，当四烯接收到高能光子时，它会将产生的激子分裂成两个较低能量的激子，这一过程被称为单线态裂变。通过在四烯和硅之间放置一个精心设计的界面层，由此产生的低能激子可以从四烯转移到硅中，在硅中，它们的大部分能量可以转化为电能。

　　不完美中的效用

　　无论是使用四烯还是其他材料来增强传统的太阳能电池，研究人员一直致力于设计太阳能电池组成部分之间的完美界面，以提供激子转移的最佳条件。

　　施密特和他的团队使用从头算分子动力学(aiMD)模拟来研究粒子如何在太阳能电池内相互作用和移动。有了Hawk，该团队可以进行昂贵的计算来观察几百个原子和它们的电子如何相互作用。该团队使用AIMD模拟以飞秒为间隔推进时间，以了解电子如何与系统中的电子空穴和其他原子相互作用。就像其他研究人员一样，该团队试图使用其计算方法来识别系统中的缺陷，并寻找改进方法。

　　在寻找完美界面的过程中，他们发现了一个惊喜:一个不完美的界面可能更有利于激子的转移。在一个原子系统中，没有完全饱和的原子，也就是说它们没有完全与其他原子结合，有所谓的“悬空键”。研究人员通常认为，悬空键会导致电子界面效率低下，但在AIMD模拟中，研究小组发现，硅悬空键实际上促进了界面上额外的激子转移。

　　“缺陷总是意味着系统中有一些不想要的东西，但在我们的案例中并非如此，”帕德博恩大学教授和该项目的合作者Uwe Gerstmann教授说。“在半导体物理学中，我们已经有策略地使用了我们称之为供体或受体的缺陷，这有助于我们制造二极管和晶体管。因此，从战略上讲，缺陷当然可以帮助我们建立新的技术。”

　　马文·克伦兹博士是帕德博恩大学的博士后研究员，也是该团队论文的主要作者，他指出了该团队的发现与太阳能电池研究的现状之间的矛盾。“对我们来说，有趣的一点是，目前的研究方向是设计更完美的界面，并不惜一切代价消除缺陷。我们的论文可能会引起更大的研究界的兴趣，因为它指出了设计这些系统的不同途径，”他说。

　　有了这一新的见解，该团队现在计划利用其未来的计算能力来设计可以说是完美不完美的界面。知道硅悬空键可以帮助促进这种激子转移，该团队希望使用AIMD可靠地设计一个具有改进激子转移的界面。对于这个团队来说，目标不是在一夜之间设计出完美的太阳能电池，而是继续使下一代的太阳能技术变得更好。

　　施密特说:“我相信，随着时间的推移，我们将继续逐步提高太阳能电池的效率。”“在过去的几十年里，我们看到各种太阳能电池架构的效率平均每年提高约1%。我们在这里开展的工作表明，预计未来还会进一步增加。原则上，通过持续地利用单线态裂变，可以将效率提高1.4倍。”

　　参考文献:“缺陷辅助激子在Tetracene-Si(111):H界面上的转移”，Marvin Krenz, Uwe Gerstmann和Wolf Gero Schmidt, 2024年2月16日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.076201

　　Hawk项目的资金由巴登-符腾堡州科学、研究和艺术部以及德国联邦教育和研究部通过高斯超级计算中心(GCS)提供。