热载流子太阳能电池是几十年前提出的一个概念，长期以来一直被视为太阳能技术的潜在突破。这些电池可以超过Shockley-Queisser效率极限，这是单结太阳能电池的理论最高效率。尽管前景光明，但实际实施面临着重大挑战，特别是在管理跨材料界面快速提取热电子方面。

最近的研究集中在利用导带中的卫星谷在收集前暂时储存热电子。然而，实验发现在吸收层和萃取层之间的异质结构界面处存在寄生势垒。这个障碍使转移过程复杂化，这发生在实空间而不是动量空间。当两种材料的能带不完全对齐时，电子可以通过隧道绕过这个势垒，这是一个受复杂能带结构影响的过程。

在一项发表在《能量光子学杂志》（JPE）上的新研究中，研究人员使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，并将其与临界点上的实验数据进行比对，从而深入了解在载流子谷状态和异质界面之间进行热载流子提取的物理原理。

这些发现提供了对隧道过程的更深入的理解，并可能为更高效的热载流子太阳能电池指明道路，使我们更接近打破当前太阳能技术的效率限制。

具体来说，该研究表明，由于这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。这个问题会因为界面上的轻微粗糙而恶化，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差的观察结果一致。

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。虽然这在晶体管中通常是不可取的，但它对谷光电是有益的，其中热载流子的有效传输和存储是至关重要的。

详情请参见David K. Ferry, Vincent R. Whiteside和Ian R. Sellers的原创研究文章，“利用复杂能带结构研究山谷光伏：走向高效的热载流子提取”，J. Photon。能源工程学报，2016 (1),doi: 10.3969 / jpe . jpe .15.012502