膠體量子點可同時獲得光電最佳性能

加拿大研究人員設(shè)計并測試了一種新型固態(tài)、穩(wěn)定的光敏納米粒子——膠體量子點技術(shù)，該技術(shù)或?qū)⒂糜陂_發(fā)更為廉價、柔性的太陽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。此項研究成果發(fā)表在最新一期《自然·材料》上。

膠體量子點基于兩種類型的半導(dǎo)體收集陽光：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，會與氧原子結(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)電氣與計算機工程系博士后寧志軍在接受筆者采訪時說，其研究小組開發(fā)的新型膠體量子點技術(shù)，可使N型材料在暴露于空氣中時，不與氧結(jié)合。同時維持穩(wěn)定的N型和P型層，不僅能提高光的吸收效率，還打開了同時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)星通信或污染檢測儀。

寧志軍稱，這僅是此項材料創(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，膠體量子點材料可在低溫下合成，耗能低且工藝簡單。這種溶液可處理的無機材料增強了電池的穩(wěn)定性和便攜性。研究發(fā)現(xiàn)，碘是兼?zhèn)涓咝Ш涂諝夥�(wěn)定性的量子點太陽能電池的完美配體。

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

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

8%，比起現(xiàn)在單晶硅太陽能電池動輒20%以上的轉(zhuǎn)換效率來說似乎不值一提，但這種比較意義并不大，就像讓一個嬰兒和一個中年人去掰手腕一樣。要知道，兩年前膠體量子點電池的轉(zhuǎn)換效率才4.2%，現(xiàn)在是近一倍的增長；而硅基電池在無數(shù)研究機構(gòu)的關(guān)注下要提高1%都已非常困難。更何況膠體量子點電池的理論轉(zhuǎn)化效率可達42%，硅基電池才31%。這絕對是一項蒸蒸日上的技術(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競爭。