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相連的量子點能提升太陽電池效能

荷蘭研究人員首次發現光激發電子能在相連的半導體量子點(linked quantum dot)間自由移動。由於先前的研究證實量子點能產生多重激子(multiple exciton generation),此發現又突破了載子傳輸的限制,對於以這種材料製備低成本且高效率的太陽電池相當重要。

一般矽晶太陽電池雖然效率較高,但生產成本昂貴,而其他材料製作的太陽電池儘管成本較低,效率卻大打折扣,例如有機太陽電池的最高效率只有8%。

提高太陽電池效率的方法之一是使用半導體奈米微粒,即量子點。理論上以這些材料製成的電池效率可達44%,部分歸功於雪崩效應(avalanche effect),即單一光子能同時激發數個電子。在一般太陽電池中,一個光子通常只能激發一個電子,也就是產生一個電子電洞對。目前研究人員雖已經能在量子點內產生多個光激發電子電洞對,但問題還沒結束,因為電子與電洞必須能自由移動過整個電池,才能形成電流被電極收集。

台夫特(Delft)科技大學的Arjan Houtepen等人證明,如果以夠小的間隔分子將半導體奈米微粒緊密連結,使量子點既保持分離又緊密聚集,電荷便能在量子點間自由移動。Houtepen表示,奈米微粒彼此非常靠近,每個被吸收的光子都能產生可自由移動的電子電洞對,且由於電子電洞對數量眾多,此類太陽電池可望具有很高的效率。相形之下,在奈米微晶中,光子通常產生的無法形成光電流的是激子(exciton);有機太陽電池亦然。

研究團隊在他們的到樣品中觀察類似能帶(band-like)電荷傳輸現象,顯示這些半導體奈米微粒的行為類似緊密排列的原子晶體,意味著奈米微晶薄膜的電子特性可媲美傳統半導體,而且還可透過調整奈米微晶的間距來控制其電性。

研究人員表示,所有光激發電子都能在材料間自由移動並被太陽電池收集,換言之,沒有激子產生。此研究證明對於以量子點為主的太陽電池,毋需複雜的技術就將激子分離並產生自由載子,因此能製造出構造簡單且具有大光伏電壓(photovoltage)的太陽電池。詳見Nano Lett. 11, pp.4485 (2011)以及Nature Nanotechnology doi:10.1038/nnano.2011.159。

原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/47520

譯者:邱鈺芬(逢甲大學材料科學與工程系)
責任編輯:蔡雅芝

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