热载流子太阳能电池的概念早在几十年前就被提出，长期以来被视为太阳能技术的潜在突破。这种电池的效率可以超越Shockley-Queisser极限，这是单结太阳能电池的理论最高效率。尽管前景广阔，但在实际应用中面临着重大挑战，尤其是在快速提取热电子的跨材料界面管理方面。
最近的研究集中在利用导带中的卫星谷来暂时储存热电子。然而，实验发现吸收层与提取层之间的异质结构界面存在寄生势垒。这个障碍使得转移过程变得复杂，这一过程发生在实空间而非动量空间。当两种材料的能带未完全对齐时，电子可以通过隧道效应绕过这个势垒，这一过程受到复杂能带结构的影响。
在《能量光子学杂志》上发表的一项新研究中，研究人员采用经验赝势方法研究了这些消失态及其对电子隧穿的影响。该方法计算动量空间中的能带，并与临界点的实验数据进行比对，从而为在载流子谷状态之间及跨异质界面实现热载流子提取提供了物理见解。
这些发现加深了对隧道过程的理解，并可能为更高效的热载流子太阳能电池指明方向，使我们更接近突破当前太阳能技术的效率限制。
具体而言，该研究表明，由于两种材料的能带不匹配，在砷化铟铝(InAlAs)和砷化铟镓(InGaAs)结构中，隧道系数（衡量电子通过势垒的难易程度）呈指数级增长。这个问题因界面上的轻微粗糙而加剧，只有几个原子厚，这严重阻碍了电子的转移。这些发现与使用该材料系统的实验设备性能不佳的观察结果一致。
有趣的是，在包含AlGaAs和砷化镓(GaAs)材料的系统中，这种情况显著改善，其中势垒中的铝成分在较低能量的卫星谷中产生简并。这样的系统受益于更好的能带对齐和以原子精度增长的能力。
例如，根据所使用的AlGaAs的具体成分，AlGaAs和GaAs之间的电子转移的隧道系数可以高达0.5甚至0.88。这表明了一个更有效的转移过程，以及利用谷光电和实现超越当前单一带隙限制的太阳能电池的潜力。
在由AlGaAs/GaAs制成的高电子迁移率晶体管中，电子通常从AlGaAs移动到GaAs。然而，GaAs中的热载流子可以获得足够的能量转移回AlGaAs，这一过程被称为实空间转移。虽然在晶体管中这通常是不可取的，但它对谷光电是有益的，其中热载流子的有效传输和存储至关重要。
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希望本篇文章《热载流子太阳能电池的创新视角：探讨热电子隧道效应与收集机制以提升效率》能对你有所帮助！
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