热载流子太阳能电池中的可逆电子-空穴分离

热载流子太阳能电池设想利用能量过滤，在光生电子-空穴对与晶格热化之前从中提取功率，因此与传统的单吸收体太阳能电池相比，有望提供更高的功率转换效率。热载流子太阳能电池的效率预计强烈依赖于能量过滤过程的细节，而这一关系至今尚未得到令人满意的探索。在此，我们确立了热载流子太阳能电池中电子-空穴分离可逆发生的条件，即在最大能量转换效率下发生。因此，我们将分析重点放在热载流子太阳能电池本身的内部运作上，在本工作中不考虑通过光子与太阳的耦合。在推导出在可逆和不可逆电学操作条件下均有效的热载流子太阳能电池电压表达式后，我们识别了热电效应和光伏效应对电压的独立贡献。我们发现，在特定条件下，由于吸收体中准 Fermi 能级分裂的额外贡献，热载流子太阳能电池的能量转换效率可以超过仅由器件内温度梯度设定的 Carnot 极限。我们还证实，由于电压的额外热电贡献，热载流子太阳能电池的开路电压不受吸收体带隙的限制。此外，我们发现热载流子太阳能电池可以反向运行，作为热驱动的固态发光体。我们的结果有助于探索热载流子太阳能电池的基本限制，并为实验工作者提供器件最优配置指南迈出了第一步。