在美國(guó)能源部（DOE）勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory），科學(xué)家的理論研究，帶來了破紀(jì)錄的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。研究人員發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的科學(xué)常識(shí)相反，提高太陽能電池效率的關(guān)鍵，不是吸收更多的光子，而是散發(fā)出更多的光子。

“優(yōu)異的太陽能電池也應(yīng)是一個(gè)優(yōu)異的發(fā)光二極管，”艾利•雅布龍諾維奇（Eli Yablonovitch）說，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室的電氣工程師，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究。“這是違反直覺的。為什么太陽能電池應(yīng)該發(fā)出光子？我們展示的是，太陽能電池能更好地散發(fā)出光子，就可以產(chǎn)生更高的電壓和更高的效率。”

他們的一篇論文，介紹了這項(xiàng)工作，發(fā)表在《光伏雜志》（Journal of PhotoVoltaics），題為《高密度內(nèi)外熒光的太陽能電池達(dá)到肖克利-奎伊瑟效率極限》（Intense Internal and External Fluorescence as Solar Cells Approach the Shockley-Queisser Efficiency Limit）。

論文中，雅布龍諾維奇描述，外部熒光是一個(gè)關(guān)鍵，可以達(dá)到理論上的最高效率，使太陽能電池把陽光轉(zhuǎn)換成電能。這一理論效率，就是所謂的肖克利•奎伊瑟效率極限（SQ極限），測(cè)量約為33.5％，就是單個(gè)p-n結(jié)太陽能電池。這意味著，如果太陽能電池每平方米太陽能可收集1000瓦，那么，它能產(chǎn)生的最大電力為每平方米335瓦左右。

歐文•米勒（Owen Miller）是雅布龍諾維奇研究小組的成員，他的計(jì)算表明，半導(dǎo)體砷化鎵能夠達(dá)到肖克利•奎伊瑟效率極限。依靠這項(xiàng)工作，雅布龍諾維奇共同創(chuàng)辦的一家私營(yíng)公司，就是阿爾塔設(shè)備公司（Alta Devices Inc.），已可制造砷化鎵太陽能電池，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的轉(zhuǎn)換效率，就是28.4％。
“歐文•米勒提供了精確的理論，可以達(dá)到肖克利•奎伊瑟極限，首次包括了外部熒光效率。” 雅布龍諾維奇說：“他計(jì)算的砷化鎵（Gallium arsenide）表明，外部熒光帶來了電壓升壓，阿爾塔公司研究人員隨后就觀察到了。”

今天，最高效的商用太陽能電池是用單晶硅片制成，通常可達(dá)到約23％的轉(zhuǎn)換效率。高擋硅是一種昂貴的半導(dǎo)體，但是只能低強(qiáng)度收集光子。砷化鎵雖然比硅更昂貴，但是更擅于吸收光子，這意味著，只需要少得多的材料，就可以制成太陽能電池。

“砷化鎵吸收光子比硅強(qiáng)1萬倍，這是指一定的厚度，但并沒有貴1萬倍，”雅布龍諾維奇說，“從性能看，這是一種理想材料，可以制造太陽能電池。”

過去的工作中，提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，重點(diǎn)是增加電池吸收的光子數(shù)量。太陽能電池吸收陽光產(chǎn)生電子，這些電子必須被引導(dǎo)出電池，形成電。有些電子導(dǎo)出速度不夠快，就會(huì)衰變，釋放自身的能量。如果那種能量釋放為熱量，就會(huì)降低太陽能電池的輸出功率。米勒的計(jì)算表明，如果這釋放出的能量離開電池，形成外部熒光，就會(huì)提升電池的輸出電壓。

“這就是核心的反直覺成果，帶來了效率紀(jì)錄的突破，”雅布龍諾維奇說。

米勒解釋說，“在開放電路條件的太陽能電池中，電子有沒有地方可去，這樣，它們堆積成高密度，而且，在理想情況下，會(huì)發(fā)出外部熒光，完全平衡入射的陽光。因?yàn)闃?biāo)示出內(nèi)部光學(xué)損耗低，這種高效的外部熒光就很必要，可以達(dá)到肖克利•奎伊瑟極限。”

使用單晶薄膜技術(shù)，就是雅布龍諾維奇早期開發(fā)的所謂“外延層剝離”（epitaxial liftoff），阿爾塔設(shè)備公司可用砷化鎵制造太陽能電池，不僅刷新了以前的太陽能轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄，而且生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于任何其他太陽能電池技術(shù)。阿爾塔設(shè)備公司預(yù)計(jì)，在一年內(nèi)把砷化鎵太陽能電池板推向市場(chǎng)。

“這種肖克利•奎伊瑟極限仍然是太陽能電池技術(shù)的基礎(chǔ)，”雅布龍諾維奇說，“不過，光萃取和外部熒光物理學(xué)很明顯關(guān)聯(lián)到高性能太陽能電池。”

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