双载流子选择性接触的过渡金属二硫化物太阳能电池

从超薄材料中发电

想象一种几乎透明的太阳能面板，但它对阳光的吸收能力出乎意料地强。该研究探讨了如何将厚度仅为十亿分之一米级别的特殊晶片制成轻量且高功率的太阳能电池。研究人员展示了一种给这些超薄材料布线的新方法，能减少能量损失，这一步有望帮助未来的太阳能电池为卫星、电动汽车和便携式电子设备供电，在这些应用中每一克和每一瓦都非常关键。

为何需要新的光伏层

大多数现有太阳能电池由相对厚的硅或其他半导体块体构成。相比之下，像 WS2 这样的过渡金属二硫化物（TMD）即使只有几纳米厚也能非常有效地吸收可见光。这使得它们在需要低重量和柔性的应用中很有吸引力。然而，当这些超薄晶体直接置于金属电极时，许多产生的载流子会在界面处复合并以热的形式消失。能级不匹配和不希望出现的电流通道等效应会大幅降低电压和效率，远低于简单理论的预测。

引导载流子的“三明治”设计

为了解决这一问题，团队借鉴了高性能硅和钙钛矿太阳能电池的做法，采用“载流子选择性接触”，只引导一种类型的电荷流动。他们在活性区构建了一个总厚度仅 10 纳米的垂直堆叠结构：中间是超薄 WS2 层，下面是称为 PTAA 的空穴选择性有机层，上面是电子选择性富勒烯层（C60），并以金属电极封顶。光在 WS2 层被吸收，选择性接触被设计为将电子向上引入 C60，将空穴向下引入 PTAA，同时强烈抑制金属界面的不良复合。

调节各层以实现顺畅的电流传输

在器件的早期版本中，电流-电压曲线出现了 S 形弯曲，这是电池一侧成为瓶颈的标志。模拟和实验表明，电子选择性的 C60 层比 PTAA 层导电性差，导致载流子堆积和能量损失。通过将 C60 层从 20 纳米减薄到仅 2 纳米，研究人员大幅改善了两端接触之间的平衡。最终器件在标准日照下对厚度仅 10 纳米的 WS2 片实现了 523 毫伏的开路电压、0.54 的填充因子和 2.4% 的光电转换效率。

窥探载流子如何传播

借助聚焦精细的激光束，团队绘制了电流在器件中如何扩散的图谱。他们发现，即便在远离金属接触处产生的载流子也能被收集，表明电子平均在复合前能行进约 13 微米——与吸收层的厚度相比，这一距离非常惊人。额外的测量显示，WS2 中的少数载流子寿命约为 100 皮秒，而器件表现暗示多数载流子由于被选择性接触高效抽取，其有效存续时间要长得多。长传输距离与定向抽取的结合有助于超薄器件收集其所吸收光子中的大部分能量。

限制电压的因素以及改进路径

研究人员进而探讨了器件离材料本征极限有多近。通过将光学模型与基于寿命的简单公式相结合，他们表明多层 TMD 中载流子短暂的存活时间是限制电压的关键因素。对于厚度为 10 纳米且载流子寿命为 100 皮秒的 WS2 层，理论电压极限约为 663 毫伏——仅比他们已实现的值高约 140 毫伏。要进一步提升，他们建议提高 TMD 层的纯度和结构质量，使载流子寿命延长到微秒级，并进一步优化接触材料，以便其能级和导电性更好地匹配 WS2 或类似的 TMD（如 WSe2）。

走向实用的超轻太阳能电池

简而言之，这项工作表明，精心设计的用于正负电荷的“单向通道”可以显著提升超薄光伏材料的性能。新的双接触 WS2 电池对于如此薄的吸收层已能提供可观的电压和效率，其底层设计原则也可推广到其他 TMD 以及大面积制造工艺。通过延长载流子寿命、改进接触以及优化光捕获结构，这些羽量级的太阳能电池有朝一日可能与传统面板竞争，同时在空间任务、交通工具和可穿戴电子设备中提供远高于传统器件的单位重量发电能力。

引用: Went, C.M., Tham, R.W., Jahelka, P.R. et al. Dual carrier-selective contact transition metal dichalcogenide solar cells. npj 2D Mater Appl 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00684-3

关键词: 超薄太阳能电池, 过渡金属二硫化物, 载流子选择性接触, WS2 光伏器件, 高比功率能源