薄硅太阳能电池的发展得益于研究人员发现了一种将金转化为强带隙半导体的方法。
加州大学欧文分校的研究人员开发出薄硅太阳能电池，可能有助于各种应用中能源转化系统的发展，包括机载飞机和系统充电，通过启用光和物质之间交流的新颖方式。
这项研究最近作为书籍ACS Nano的封面报道发布，依赖于加州大学欧文分校的研究人员通过与光的相互作用将直接带隙转变为强带隙硅。
加州大学欧文分校的团队与特拉维夫大学和俄罗斯喀赞联邦大学的研究人员合作，创建了一种加热光的新方法，而不是改变材料本身。他们限制光子至接近大型半导体的亚3纳米尖峰，创造了光与物质之间通过速度扩展的新型相互作用路径。研究人员表示，通过“装饰”金区域，他们实现了光扩散的数量级增加，同时显著提高了机器性能。
首席作者、加州大学欧文分校化学兼任教授德米特里·费什曼指出：“在具有直接带隙的半导体中，电子会从价带移动到导带。这一过程只需要能量的变化，这是一个高效的转移。”在像硅这样的间接带隙材料中，额外的成分（例如声子）是必需的，为电子提供所需的动量以使过渡发生。由于光子、声子和电子可以在低水平同时和同地相互作用，硅的光学特性本质上较弱。
他声称，硅作为间接带隙半导体的差光学特性阻碍了光电电子学的整体发展和太阳能转换。这是一个劣势，因为硅是地壳中第二丰富的元素，也是全球计算机和电子行业的基础。
共同作者、加州大学欧文分校化学教授埃里克·波特马表示：“光子携带能量，但几乎没有动量，但如果我们改变教科书中解释的叙述，以某种方式赋予光子动量，我们就可以在不需要额外粒子的情况下激发电子。这样只需两个粒子相互作用，一个光子和一个电子，类似于直接带隙半导体中发生的情况，光的吸收提高了10,000倍，完全改变了光-物质相互作用，而不改变材料本身的化学性质。”
共同作者、加州大学欧文分校名誉杰出教授阿拉·阿普卡里安表示：“这一现象从根本上改变了光与物质的相互作用。传统上，教科书教导我们所谓的垂直光学跃迁，其中材料以光子吸收光，光子仅改变电子的能量状态。然而，动量增强的光子能够同时改变电子的能量和动量状态，解锁我们之前未曾考虑的新跃迁路径。比喻地说，我们可以‘倾斜教科书’，因为这些光子使得对角跃迁成为可能。这对材料吸收或发射光的能力产生了重大影响。”
研究人员指出，该发展的机会使得能够利用最近在亚1.5纳米尺度上半导体制造技术的进步，这可能影响光传感和光能转换技术。
波特马表示：“随着气候变化影响的加剧，从化石燃料转向可再生能源变得愈发紧迫。太阳能在这一转型中至关重要，但我们依赖的商业太阳能电池未能满足需求。”由于硅不能有效吸收光，这些电池需要厚层，几乎200微米的纯晶体材料以有效捕获阳光。由于载流子复合增加，这不仅提高了生产成本，还降低了效率。我们研究开发的薄膜太阳能电池被广泛认为是解决这些问题的答案。
该研究的其他共同作者包括加州大学欧文分校的乔万·梅哈姆和阿列克谢·诺斯科夫，以及特拉维夫大学的利亚特·卡特里瓦斯和亚历山大·科特利亚尔，以及喀赞联邦大学的埃琳娜·巴塔洛娃和谢尔盖·哈林采夫。陈·扎克伯格倡议为该项目提供了资金。
