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量子点可以提高太阳能转化效率精选

已有 8755 次阅读 2013-8-28 10:09 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯| 太阳能电池, 量子点, 转化效率

量子点可以提高太阳能转化效率

诸平

据荷兰物质基础研究基金会（The Foundation forFundamental Research on Matter，简称FOM Foundation) 网站2013年8月23日报道，荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）、美国加州大学（University ofCalifornia）、比利时丰田欧洲材料研发中心（Toyota Europe, Materials Research & Development）的科学家合作已经开发出一种纳米结构材料,用于制造太阳能电池可以提高其光电转化效率，比目前传统的太阳能电池转化水平高超10%。下图是物理学家组织网（Phys.org）2013年8月26日的转载报道截图。

上图中被链接的是量子点，在这种新纳米材料中一束波长很狭窄光子被吸收后，会使两个或两个以上的电子跳跃带隙。研究人员已经用特殊的分子强烈地将纳米球（量子点）连接在一起，结果是电子可以自由移动,在太阳能电池中即可以形成电流。

荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）、美国加州大学（University ofCalifornia）、比利时丰田欧洲材料研发中心（Toyota Europe, Materials Research & Development）的科学家合作已经开发出一种纳米结构材料,用于制造太阳能电池可以提高其光电转化效率。此研究成果 2013年8月23日已经在《自然通讯》（Nature Communications）网络版发表。智能纳米结构可以提高太阳能电池的效率，主要体现在两方面，其一是减少热能耗，其二是提供更多的电能。

太阳能电池

传统的太阳能电池包含一层硅，当阳光照射到硅层时, 硅中的电子吸收光子能量，由基态进入到激发态，获得能量的电子（激发态电子）可以跳越“禁带”即带隙而进入导带，即可自由移动并形成电流。如果光子能量等于硅的带隙，则太阳能电池的产电量即被优化，利用效率最高，没有多余的能力被浪费。然而,太阳光是一种复色光，包含许多不同波长的光子，而且这些光子的能量大于带隙。多余的能量以热能的形式丢失,这限制了传统太阳能电池的产电量，尚未实现太阳能利用效率的最大化。

纳米球

几年前,代尔夫特理工大学的研究人员以及其他物理学家就已经证明了多余的能量仍能得到很好的利用。在半导体材料的小纳米球体内过剩的能量可以使额外的电子跳越带隙，这些纳米球又被称为量子点，其直径大约仅有人头发的万分之一。如果一个光子能使量子点的一个电子跃过带隙,电子在该量子点周围运动。这样难免造成与使随后跃过带隙的电子发生碰撞，而且一个光子可以动员几个电子跃过带隙从而增加产生的电流量，如何来解决电子的自由运动，避免在量子点周围聚集，电子之间发生碰撞的问题，科学家已经有新招。

量子点之间的联系

然而,迄今为止存在的问题仍然是电子被困在其量子点内部,所以无法为当前的太阳能电池产生电流做出贡献，导致这种现象的原因是由于使量子点表面稳定的大分子所致。这些大分子阻碍了电子从一个量子点跳跃到下一个量子点,所以没有电流产生。但是，研究人员在新设计中,用小分子取代了大分子，而且在量子点之间用氧化铝来填充预留的空隙。这导致量子点之间有更多的接触，并允许电子自由移动，使问题迎刃而解。

转化效率

理学家用激光光谱物已经看到在包含量子点链接的材料中，单个光子实际上可以激发几个电子。跃过带隙的所有电子，在此新材料中可以自由运动。由于包含这种新材料的太阳能电池的理论产量会提高到45%,比传统的太阳能电池的转化效率高出10%。更有效型的太阳能电池很容易生产，即将链接的纳米球结构作为一种分层漆用于太阳能电池。因此新型太阳能电池不仅会更有效,而且与传统的太阳能电池相比较成本也更廉价。荷兰研究人员现在与国际伙伴合作，用此设计来产生完整的太阳能电池。