这可能是能源领域的重大突破，美国理海大学（Lehigh University）宣布，他们已开发出一种原子级厚度的量子材料，外量子效率（EQE）达到了前所未有的190%，可以将63%的阳光能量转换为电能，远远超过了33.7%的肖克利-奎伊瑟极限。
这是一个什么概念呢？目前商业太阳能电池板的转换效率大约在15%-20%，如果把它们全部换成这种量子材料电池板，全球太阳能发电量一下子就能增加到三四倍，难怪西班牙ECO新闻称，这种太阳能电池板根本就不应该存在，因为它违背了宇宙规律。
理海大学的量子材料名为铜掺杂锗硒/硫化锡异质结构复合材料（CuxGeSe/SnS），其原理是将零价原子（如铜），插入到原子级厚度的二维锗硒化物（GeSe）和硫化锡（SnS）异质结构界面的范德华间隙中，形成可以增强近红外到可见光范围吸收和载流子生成的中间带态，让电荷载流子（空穴）在能量和自发空间上都受到限制，从而减少了非辐射复合，提高了量子效率。在某些波长范围内，平均每100个入射光子可以产生多达190个电子，从而在广泛的太阳光波长范围内实现了约190%的外部量子效率。
范德华间隙是层状二维材料之间的微小间隙，可以容纳原子、分子或离子。
这个原理看起来很复杂，简而言之就是，目前的商用太阳能电池板只能把15%到20%的入射光线转换成电能，其余的都变成热能散发掉了。而这种材料限制了电子和空穴的自由运动，从而减少了电子和空穴的产热结合，可以让电池板产生更多的电能，最多竟然达到了肖克利-奎伊瑟极限的190%，也就是说可以把入射光线的63%转换成电能！
这是迄今为止任何太阳能组件能够达到的最大效率，目前实验室多晶硅能达到的最大效率为20.4%，单晶硅为25%，多层电池可以更高。2023年中国隆基绿能推出串联硅/钙钛矿电池，效率达到了33.9%，这是硅基电池首次突破SQ极限。
理论上双层电池可达42%，三层为49%，无限多层可达68.7%，聚光日照甚至可达86.8%。实验室中的最大纪录是美国国家可再生能源实验室的六结III-V太阳能电池在2020年创造的，转换效率达到了47.1%。但这是在143倍太阳光强度的聚集光线下实现的，正常太阳光下则只有39.2%。
所以你就可以想象，理海大学的这项突破具有多么重大的意义了，对太阳能技术来说可能是颠覆性的。而且根据该大学的说法，利用先进技术将零价元素插入纳米级原子薄层材料的范德华间隙，已经是一种成熟可靠的技术，只是将这种材料集成到现有光伏系统的过程仍需进一步完善和研究。
这项研究发表在4月10日《科学进展》杂志上。
参考：
Chemically tuned intermediate band states in atomically thin CuxGeSe/SnS quantum material for photovoltaic applications,SCIENCE ADVANCES,10 Apr 2024,Vol 10, Issue 15, DOI: 10.1126/sciadv.adl6752
