胶体量子点 提高太阳能电池效率

胶体半导体纳米晶体用紫外线照射。量子限制（Quantum confinement）效应导致带隙能量随纳米晶体的大小而变化。每个试管内都有一个分散在液体溶剂中的单分散（monodisperse）纳米晶样品。来源：多伦多大学

竞相取得越来越高的光电转换率，可以这么说，是一个热点研究领域。一种研究是集中在量子点，就是直径2-10纳米（约10-50原子）的半导体纳米晶体，在其中，电子的运动在所有三个维度都受到限制，这种量子点是纳米太阳能电池技术的基本要素。

纳米粒子有时被称为人造原子，它的组成成分有镉，锌，硒，碲，硫等化合物，纳米粒子是如此微妙，以致于添加或去除一个电子，都代表着显着的变化，这个属性，使它们不仅适合用作先进的太阳能电池元件，而且适合用于固态照明，医疗传感器和其他领域。

尤其是，胶体量子点（CQDs：colloidal quantum dots）是由一种三组分系统合成，这三个组分是前体、机表面活性剂和溶剂，这种量子点可通过改变大小来进行调整，这就可以在光伏结构中，根据需要调整频谱响应。最近，多伦多大学（University of Toronto）的电气和计算机工程系的研究人员，展示了第一款胶体量子点串联太阳能电池（CQD tandem solar cells ：一系列连接的太阳能电池，在其中增加更多的设备，可以优化每个设备，以较窄的频谱，实现较高的整体效率），他们使用尺寸效应，调整单一的胶体量子点材料硫化铅（lead（II） sulfide-PbS）。他们能够调整胶体量子点薄膜，使串联和多结太阳能电池（通过结合不同大小的胶体量子点来制造）都提高了太阳能电池转换率的限度，从目前的31％分别提高到42％和49％。

这项研究的领导是多伦多大学的爱德华H•萨金特（Edward H. Sargent）教授，他和其他研究人员一起，克服了以前胶体量子点光伏研究遇到的困难，这个困难就是缺少一个关键的部分：结合处，也就是电池正面和背面之间的连接点。“我们的论文之前，”萨金特说，“未曾有人报道过，胶体量子点太阳能电池可以使正面电流电池，或可见光波长带隙（visible-wavelength-bandgap）电池，有效匹配背面红外带隙（infrared-bandgap）电池，并可以成功地计算每个电池的电压。我们开发出一种新技术，称为梯度复合层（Graded Recombination Layer），可以连接正面和背面的电池，基本上没有性能损失，通过一系列材料，逐渐把正面电池的活性转移到背面电池中。”

关键是，堆叠的材料是高度透明的，因此被证明非常有效，可以制成第一款高效率的胶体量子点串联电池。萨金特补充说，在这一点上，“胶体量子点光伏主要的先进需要，是在胶体量子点层自身内部来改善传输。这将同样有利于单结和多结太阳能电池。”

在应用方面，萨金特指出，“一旦我们超过10％的太阳能转换效率（今天，胶体量子点光伏的最好的报道是5.6％，所以我们仍然有很长的路要走），我们就可以低成本制造柔性，大面积的太阳能电池。具体来说，我们的目标效率结合低成本的材料和制造，可以显著改善每瓦峰值的整体安装成本。”

 
量子点中3D限制的电子波函数（electron wave functions）。这里显示的是矩形和三角形量子点。矩形量子点中的能量状态更像“s-型”和“p-型”。然而，在三角形量子点中，波函数因限制性对称而混合。来源：多伦多大学

那么，由此推论，胶体量子点光电可以进行重大缩放。“即使在研发实验室，”萨金特指出，“我们也合成了足够的胶体量子点，每次都要用完整的吸光材料覆盖一平方米的表面。工作中仍需要做的，是开发最终的薄膜处理方法，要兼容大面积的卷对卷加工。”

萨金特注意到，这与斯坦福大学（Stanford University）的光子增强热电子发射（PETE：Photon Enhanced Thermionic Emission）研究有一些重叠。光子增强热电子发射提高了热电子装置（把热转换为电能）的能量转换效率，这种装置被用作太阳能光热系统的一流循环，从而有可能使光电转换率增加一倍。“我们方法的共同点，是把频谱分裂成两个组成部分，就是高能可见光和较低能量但属于富光子积分通量（abundant-photon-fluence）或电通量的红外光。这就是说，”他强调，“也有重要的差异：我们的方法不需要光学聚集，而光子增强热电子发射就需要。此外，我们的装置在典型的环境温度下效果最好；而光子增强热电子发射要求阴极运行在600 - 800℃。”

萨金特看到，小组研究的下一步是“集中加强胶体量子点薄膜内的电子和空穴传输，目标是制成可低温加工的柔性低成本太阳能电池，要超过10％的太阳能电池转换效率。”

更多信息：《串联胶体量子点太阳能电池采用分级复合层》（Tandem colloidal quantum dot solar cells employing a graded recombination layer），《自然光子学》（Nature Photonics）
http://10.1038/nphoton.2011.123