近日美国科学家取得重大突破，新型硅材料Si22将突破传统晶硅电池的理论光电转化效率。

1. 晶硅电池的理论光电效率

从成本考量，这是人们选择未来用钙钛矿技术迭代晶硅的最大理由，但随着新技术、新工艺、新产能、新能源的不断升级，硅材料的成本将不断降低，2023年降到50元/公斤完全可能。

从理论效率极限来看，人们普遍认为晶体硅太阳能电池的理论极限效率为29.43%。从多晶到单晶，从常规到PERC，再到HJT、TOPCon，从二十年前的10%左右十年前的15%左右到现在的25%左右，晶硅电池光电转化效率正在不断突破，近日隆基刚刚宣布？？硅基异质结电池转换效率重大突破，达到26.30%。

科学家提升电池转化效率的最有效途径是提升载流子寿命，除了从电池结构角度不断创新外，科学家还采用掺硼、掺镓等办法改变硅材料。此外，科学家还从最大化利用阳光的角度出发，增加光吸收，减少光散射，采用晶硅/钙钛矿叠层电池充分利用不同的波长的光，还有采用多结电池将，不久前，？？弗朗霍夫太阳能研究所的多结电池效率达到34.1%。

但终究，这逃不脱晶硅电池单结理论效率29.43%的极限。

2. 创新Si22 - 突破理论效率的希望

硅材料对太阳光的吸收率不高，这就限制了太阳能电池的效能，从占地、成本等角度对于大面积发展太阳能发电都是障碍。

此前，对于硅电池效率的提升都集中在对电池结构、添加剂和光吸收层面，近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和芝加哥大学的研究人员提出，一种新型的硅材料Si22 - 硅的同素异形体，可以突破现有硅材料的理论效率，对于光伏发电有重要意义。

自然界中，硅材料共有三种同位素，分别为硅30、硅29、硅28。三种材料的自然丰度分别为3.10%、4.67%和92.23%，现在普遍用于工业材料的就是硅28。

然而，科学家预测了一种由硅原子以五边形几何排列组成的新材料 - Si22，并对Si22的电子、机械和光学特性进行了理论见解分析。研究结果表明，新的硅素异形体显示出了卓越的光伏性能，能大大提高对太阳能的利用效率。


同素异形体是指由同样的单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质。比如大自然中的氧和臭氧、白磷和红磷、金刚石和石墨。

同素异形体的结构不同导致了物理性质的巨大差异。研究人员认为，Si22的电子能级决定了其具有合适的带隙，因此能够最大限度地吸收太阳光。

带隙是半导体（如硅）的基本特征，它决定了将一个电子从当前能级激发到电子可以自由移动的更高能级需要多少能量。半导体研究中的目标特性包括电子间隙宽度（或带隙）和光子能量吸收峰值，这部分由带隙宽度决定。小带隙太阳能电池的半导体可以吸收光但产生低电压，太大的带隙只能收集少量的太阳光，会产生高电压但电子流很小。

合适的带隙很重要，即便有来自太阳的大量能量撞击电子，并活化为光电子，但如果没有可用的能量水平，这些光电子就没有用处，半导体材料对阳光就是“透明”的，除非入射光子的能量足以弥合其间隙。

寻找足适当平衡的最佳带隙，这是科学家研究新材料的目标。Si22具有合适的带隙，因此能够最大限度地吸收太阳光。

3. 从理论预测到实践

通过创新新材料来改善太阳光的利用效率，Si22这种同素异形体目前还停留在科学家的预测和假设中，如果能改进生产出这种模型材料硅，或许就找到了突破太阳能电池理论转化效率的那把钥匙。”

此外，科学家表示，Si22还具有碳封存的潜力，即可用于缓解气候变化。由于Si22特殊的中空结构，它可以让CO2分子融入到并封存在该结构内。

如此看来，Si22对于既能提升光电转化效率，又具有碳捕捉和封存的能力，对于应对气候变化，实现双碳目标将有重要意义。

理论指导实践，该发现必然会引起科学界的重视，相关研究将成为全球关注焦点。 

原标题：突破理论光电效率，这是个神奇的“硅”