在美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory），科學家的理論研究，帶來了破紀錄的太陽能電池光電轉換效率。研究人員發現，與傳統的科學常識相反，提高太陽能電池效率的關鍵，不是吸收更多的光子，而是散發出更多的光子。

“優異的太陽能電池也應是一個優異的發光二極管，”艾利•雅布龍諾維奇（Eli Yablonovitch）說，他是伯克利實驗室的電氣工程師，領導這項研究。“這是違反直覺的。為什么太陽能電池應該發出光子？我們展示的是，太陽能電池能更好地散發出光子，就可以產生更高的電壓和更高的效率。”

他們的一篇論文，介紹了這項工作，發表在《光伏雜志》（Journal of PhotoVoltaics），題為《高密度內外熒光的太陽能電池達到肖克利-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，外部熒光是一個關鍵，可以達到理論上的最高效率，使太陽能電池把陽光轉換成電能。這一理論效率，就是所謂的肖克利•奎伊瑟效率極限（SQ極限），測量約為33.5％，就是單個p-n結太陽能電池。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，他的計算表明，半導體砷化鎵能夠達到肖克利•奎伊瑟效率極限。依靠這項工作，雅布龍諾維奇共同創辦的一家私營公司，就是阿爾塔設備公司（Alta Devices Inc.），已可制造砷化鎵太陽能電池，達到創紀錄的轉換效率，就是28.4％。
“歐文•米勒提供了精確的理論，可以達到肖克利•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，通常可達到約23％的轉換效率。高擋硅是一種昂貴的半導體，但是只能低強度收集光子。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換效率，重點是增加電池吸收的光子數量。太陽能電池吸收陽光產生電子，這些電子必須被引導出電池，形成電。有些電子導出速度不夠快，就會衰變，釋放自身的能量。如果那種能量釋放為熱量，就會降低太陽能電池的輸出功率。米勒的計算表明，如果這釋放出的能量離開電池，形成外部熒光，就會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，會發出外部熒光，完全平衡入射的陽光。因為標示出內部光學損耗低，這種高效的外部熒光就很必要，可以達到肖克利•奎伊瑟極限。”

使用單晶薄膜技術，就是雅布龍諾維奇早期開發的所謂“外延層剝離”（epitaxial liftoff），阿爾塔設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換效率紀錄，而且生產成本遠低于任何其他太陽能電池技術。阿爾塔設備公司預計，在一年內把砷化鎵太陽能電池板推向市場。

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

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