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近日美國科學(xué)家取得重大突破，新型硅材料Si22將突破傳統(tǒng)晶硅電池的理論光電轉(zhuǎn)化效率。

1. 晶硅電池的理論光電效率

從成本考量，這是人們選擇未來用鈣鈦礦技術(shù)迭代晶硅的最大理由，但隨著新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)能、新能源的不斷升級，硅材料的成本將不斷降低，2023年降到50元/公斤完全可能。

從理論效率極限來看，人們普遍認(rèn)為晶體硅太陽能電池的理論極限效率為29.43%。從多晶到單晶，從常規(guī)到PERC，再到HJT、TOPCon，從二十年前的10%左右十年前的15%左右到現(xiàn)在的25%左右，晶硅電池光電轉(zhuǎn)化效率正在不斷突破，近日隆基剛剛宣布？？硅基異質(zhì)結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率重大突破，達(dá)到26.30%。

科學(xué)家提升電池轉(zhuǎn)化效率的最有效途徑是提升載流子壽命，除了從電池結(jié)構(gòu)角度不斷創(chuàng)新外，科學(xué)家還采用摻硼、摻鎵等辦法改變硅材料。此外，科學(xué)家還從最大化利用陽光的角度出發(fā)，增加光吸收，減少光散射，采用晶硅/鈣鈦礦疊層電池充分利用不同的波長的光，還有采用多結(jié)電池將，不久前，？？弗朗霍夫太陽能研究所的多結(jié)電池效率達(dá)到34.1%。

但終究，這逃不脫晶硅電池單結(jié)理論效率29.43%的極限。

2. 創(chuàng)新Si22 - 突破理論效率的希望

硅材料對太陽光的吸收率不高，這就限制了太陽能電池的效能，從占地、成本等角度對于大面積發(fā)展太陽能發(fā)電都是障礙。

此前，對于硅電池效率的提升都集中在對電池結(jié)構(gòu)、添加劑和光吸收層面，近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室和芝加哥大學(xué)的研究人員提出，一種新型的硅材料Si22 - 硅的同素異形體，可以突破現(xiàn)有硅材料的理論效率，對于光伏發(fā)電有重要意義。

自然界中，硅材料共有三種同位素，分別為硅30、硅29、硅28。三種材料的自然豐度分別為3.10%、4.67%和92.23%，現(xiàn)在普遍用于工業(yè)材料的就是硅28。

然而，科學(xué)家預(yù)測了一種由硅原子以五邊形幾何排列組成的新材料 - Si22，并對Si22的電子、機(jī)械和光學(xué)特性進(jìn)行了理論見解分析。研究結(jié)果表明，新的硅素異形體顯示出了卓越的光伏性能，能大大提高對太陽能的利用效率。


同素異形體是指由同樣的單一化學(xué)元素組成，因排列方式不同，而具有不同性質(zhì)的單質(zhì)。比如大自然中的氧和臭氧、白磷和紅磷、金剛石和石墨。

同素異形體的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致了物理性質(zhì)的巨大差異。研究人員認(rèn)為，Si22的電子能級決定了其具有合適的帶隙，因此能夠最大限度地吸收太陽光。

帶隙是半導(dǎo)體（如硅）的基本特征，它決定了將一個電子從當(dāng)前能級激發(fā)到電子可以自由移動的更高能級需要多少能量。半導(dǎo)體研究中的目標(biāo)特性包括電子間隙寬度（或帶隙）和光子能量吸收峰值，這部分由帶隙寬度決定。小帶隙太陽能電池的半導(dǎo)體可以吸收光但產(chǎn)生低電壓，太大的帶隙只能收集少量的太陽光，會產(chǎn)生高電壓但電子流很小。

合適的帶隙很重要，即便有來自太陽的大量能量撞擊電子，并活化為光電子，但如果沒有可用的能量水平，這些光電子就沒有用處，半導(dǎo)體材料對陽光就是“透明”的，除非入射光子的能量足以彌合其間隙。

尋找足適當(dāng)平衡的最佳帶隙，這是科學(xué)家研究新材料的目標(biāo)。Si22具有合適的帶隙，因此能夠最大限度地吸收太陽光。

3. 從理論預(yù)測到實踐

通過創(chuàng)新新材料來改善太陽光的利用效率，Si22這種同素異形體目前還停留在科學(xué)家的預(yù)測和假設(shè)中，如果能改進(jìn)生產(chǎn)出這種模型材料硅，或許就找到了突破太陽能電池理論轉(zhuǎn)化效率的那把鑰匙。”

此外，科學(xué)家表示，Si22還具有碳封存的潛力，即可用于緩解氣候變化。由于Si22特殊的中空結(jié)構(gòu)，它可以讓CO2分子融入到并封存在該結(jié)構(gòu)內(nèi)。

如此看來，Si22對于既能提升光電轉(zhuǎn)化效率，又具有碳捕捉和封存的能力，對于應(yīng)對氣候變化，實現(xiàn)雙碳目標(biāo)將有重要意義。

理論指導(dǎo)實踐，該發(fā)現(xiàn)必然會引起科學(xué)界的重視，相關(guān)研究將成為全球關(guān)注焦點。 

原標(biāo)題：突破理論光電效率，這是個神奇的“硅”