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量子點熱電子面臨保溫挑戰

荷蘭科學家發現熱載子(hot carrier)在量子點(quantum dot, QD)中的冷卻速率與量子點所處環境有關。相較於分散在溶劑中的量子點,熱載子在構成導電薄膜的量子點內較快冷卻。由於熱載子越慢冷卻太陽電池的效能越高,因此量測熱載子在量子點中的冷卻速率是相關應用上關鍵的一環。

不同尺寸的量子點會發出不同顏色的熒光。圖片來源:Wikimedia(http://0rz.tw/KbqBY)

所謂熱載子是由能量高於半導體能隙的光子所產生的電子電洞對。在塊材半導體中,熱載子會在數皮秒(picosecond, ps)內迅速冷卻並釋放聲子(phonon),亦即透過晶格振盪將能量以廢熱形式釋出,這些廢熱佔現行太陽電池能量損耗中的 50%。若能在這些能量轉成廢熱前加以收取,將可大幅提高太陽電池的光電轉換效率,而半導體奈米微粒形成的量子點可望完成此任務。

膠狀(colloidal)量子點薄膜又名量子點固體(QD solid),近來已經被用來製作出光感測器、場效電晶體和太陽電池。在這些元件中,量子點因緊密相鄰導致波函數重疊,電荷載子遷移率因而提升到可發展實用元件的水準。硫化物的電子與電洞有效質量(effective mass)較小,波函數重疊特別大,其中硫化鉛(PbS)和硒化鉛(PbSe)等量子點固體吸光效率高,適合用來製作太陽電池。

這些材料吸收光後不僅能以極高的效率產生載子,而且載子具有高遷移率,能輕易到達元件的電極。多重激子產生(multiple exciton generation)使得一個吸收光子能產生更多的電子電洞對,有助於增進光探測器的靈敏度及太陽能電池的轉換效率。

然而,研究人員尚未釐清量子點固體中光子產生電荷載子的機制,也不了解極短時間內的載子動力學,而這些對於提升量子點光電元件效能至為重要。最近,台夫特(Delft)科技大學的 Arjan Houtepen 等人研究了電子和電洞如何在 PbSe 量子點固體內移動,尤其是在光激發後的數皮秒內。

該團隊在光激發後的量子點內發現兩個分立的鬆弛(relaxation)過程。一是熱載子鬆弛,意指電子和電洞從高能階到較低能階,又稱為帶內冷卻(intraband cooling);另一為載子鬆弛,發生於不同兩量子點間的跳躍(hopping),或稱光譜擴散(spectral diffusion)。實驗結果顯示,做成導電薄膜的量子點固體具有較短的帶內冷卻時間(0.25 ps),而溶液內量子點則為 0.69 ps。

Houtepen 表示,量子點固體有許多優點,如高效光吸收率、多重激子的產生及高電荷遷移率等。接下來的挑戰則是增加這些結構中的電荷載子的生命週期,而關鍵技術在於控制量子點表面。詳見 Nano Lett.|DOI:10.1021/nl203235u。

譯者:邱鈺芬(逢甲大學材料科學與工程系)
責任編輯:劉家銘
原文網址:Quantum dots and solar cells—nanotechweb.org

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2011-12-07]

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