膠體量子點(diǎn)可同時(shí)獲得光電最佳性能

加拿大研究人員設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種新型固態(tài)、穩(wěn)定的光敏納米粒子——膠體量子點(diǎn)技術(shù)，該技術(shù)或?qū)⒂糜陂_(kāi)發(fā)更為廉價(jià)、柔性的太陽(yáng)能電池及更好的氣體感應(yīng)器、紅外激光器、紅外發(fā)光二極管。此項(xiàng)研究成果發(fā)表在最新一期《自然·材料》上。

膠體量子點(diǎn)基于兩種類型的半導(dǎo)體收集陽(yáng)光：N型（富電子）和P型（乏電子）。但N型半導(dǎo)體材料暴露于空氣中時(shí)，會(huì)與氧原子結(jié)合，失去其電子，轉(zhuǎn)變成P型材料。

論文第一作者、多倫多大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系博士后寧志軍在接受筆者采訪時(shí)說(shuō)，其研究小組開(kāi)發(fā)的新型膠體量子點(diǎn)技術(shù)，可使N型材料在暴露于空氣中時(shí)，不與氧結(jié)合。同時(shí)維持穩(wěn)定的N型和P型層，不僅能提高光的吸收效率，還打開(kāi)了同時(shí)獲得光捕獲和電傳導(dǎo)最佳性能的新型光電器件的大門，這也意味著可利用新技術(shù)開(kāi)發(fā)出更復(fù)雜的氣象衛(wèi)星、遙控設(shè)備、衛(wèi)星通信或污染檢測(cè)儀。

寧志軍稱，這僅是此項(xiàng)材料創(chuàng)新研究的第一步，利用這種新材料可構(gòu)建出新的器件結(jié)構(gòu)。與普通硅材料電池相比，膠體量子點(diǎn)材料可在低溫下合成，耗能低且工藝簡(jiǎn)單。這種溶液可處理的無(wú)機(jī)材料增強(qiáng)了電池的穩(wěn)定性和便攜性。研究發(fā)現(xiàn)，碘是兼?zhèn)涓咝Ш涂諝夥�(wěn)定性的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的完美配體。

由于吸收光譜可達(dá)紅外區(qū)域，這種N-P混合型新材料可吸收更多光能，從而使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)8％。改進(jìn)性能還僅是這種新型量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的開(kāi)始，未來(lái)這些功能強(qiáng)勁的量子點(diǎn)可與油墨混合，噴涂或印刷到輕薄、柔軟的屋面瓦表面，從而大大降低太陽(yáng)能電力的成本，造福普通民眾。

寧志軍介紹，膠體量子點(diǎn)太陽(yáng)能光伏技術(shù)在最近10年里已取得飛速發(fā)展，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率已從最初的0.1%提高到實(shí)驗(yàn)室條件下的10%左右。但要實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化，還需持續(xù)改進(jìn)其絕對(duì)性能，或電力轉(zhuǎn)換效率。

8%，比起現(xiàn)在單晶硅太陽(yáng)能電池動(dòng)輒20%以上的轉(zhuǎn)換效率來(lái)說(shuō)似乎不值一提，但這種比較意義并不大，就像讓一個(gè)嬰兒和一個(gè)中年人去掰手腕一樣。要知道，兩年前膠體量子點(diǎn)電池的轉(zhuǎn)換效率才4.2%，現(xiàn)在是近一倍的增長(zhǎng)；而硅基電池在無(wú)數(shù)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注下要提高1%都已非常困難。更何況膠體量子點(diǎn)電池的理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)42%，硅基電池才31%。這絕對(duì)是一項(xiàng)蒸蒸日上的技術(shù)，但要商業(yè)化，效率需先提高到10%以上，才能與其他新型材料展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。