量子点太阳能电池新突破

在每个量子点之间掺杂一定数目的电子，可诱发电子的各种转换，更好地利用红外辐射，



（左）量子点结构图。（中）比较太阳能电池不同水平的掺杂。（右）三维电势剖面（potential profile）的量子点结构。来源：美国化学学会。


在过去的几年里，研究人员一直在利用量子点，增加光线吸收，提高太阳能电池的整体效率。如今，研究人员又迈出了一步，他们证明，量子点带有内置电荷，可以提高效率，使砷化铟/砷化镓（InAs / GaAs）量子点太阳能电池效率提高50％以上。

研究人员中，金佰利•萨布隆（Kimberly Sablon）和约翰W•里特尔（John W. Little）来自马里兰州（Maryland）阿德尔菲（Adelphi）美国陆军研究实验室（US Army Research Laboratory），弗拉基米尔•米汀（Vladimir Mitin），安德烈•谢尔盖耶夫（Andrei Sergeev）和尼扎米•瓦基多夫（Nizami Vagidov）来自纽约布法罗大学（University of Buffalo），基特•莱因哈特（Kitt Reinhardt）来自弗吉尼亚州（Virginia）阿灵顿（Virginia）美国空军科学研究办公室（AFOSR：The Air Force Office of Scientific Research），他们已发表了研究结果，讨论提高太阳能电池效率，就发表在近期出版的《纳米快报》（Nano Letters）上。

在他们的研究中，研究人员探讨了异质结构太阳能电池与砷化铟/砷化镓量子点。作为光伏材料，量子点可以利用红外辐射（infrared radiation），把它转化为电能。但是，量子点又提高了载流子（photocarriers）重组，降低了光电流（photocurrent）。出于这个原因，直到现在，采用量子点提高光伏效率，一直局限于几个百分点。

在这里，研究人员提出，给量子点充电，可采用选择性的点间（interdot）掺杂。在他们的实验中，研究人员比较了几个掺杂度，就是2个，3个和6个额外的电子掺杂每个量子点，结果为光伏效率提高4.5％，30％和50％，这是分别对比未掺杂的太阳能电池。6个电子的掺杂水平是50％的提高，相当于整体效率从9.3％（非掺杂太阳能电池）提高到14％。

研究人员认为，这种大幅度提高的光伏效率是来自两个基本效果。首先，内置点电荷（built-in-dot charge）诱发各种转换的电子，提高利用红外辐射。其次，内置点电荷产生势垒（potential barriers），这些势垒围绕量子点，抑制电子捕获过程，不让它们返回量子点。势垒的作用以前已经使用过，研究人员用以提高红外探测器的灵敏度。

此外，研究人员预测，进一步提高掺杂度，将导致更强劲的效率提高，因为没有表现出饱和。今后，研究人员计划进一步研究，这些效果如何相互影响，在更高掺杂度的情况。他们预测，进一步提高掺杂量和辐射强度，将导致更强大的效率提升，因为没有饱和迹象。

“这种方法和原理已经开发出来，这项研究，适用于大量的光电设备，都是采用量子点和纳米晶体，这项些备比如聚合物塑料电池（polymer plastic cells）和染料敏化多孔金属氧化物Gratzel电池（dye-sensitized porous metal oxide Gratzel cells），”谢尔盖耶夫博士说。“有效利用和转换红外辐射是因为优化了电子空穴动力学（electron-hole kinetics），结构上采用量子点和纳米晶体，带来的潜在突破，是在太阳能转化方面。”

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