膠體半導(dǎo)體納米晶體用紫外線照射。量子限制（Quantum confinement）效應(yīng)導(dǎo)致帶隙能量隨納米晶體的大小而變化。每個(gè)試管內(nèi)都有一個(gè)分散在液體溶劑中的單分散（monodisperse）納米晶樣品。來源：多倫多大學(xué)

競(jìng)相取得越來越高的光電轉(zhuǎn)換率，可以這么說，是一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。一種研究是集中在量子點(diǎn)，就是直徑2-10納米（約10-50原子）的半導(dǎo)體納米晶體，在其中，電子的運(yùn)動(dòng)在所有三個(gè)維度都受到限制，這種量子點(diǎn)是納米太陽能電池技術(shù)的基本要素。

納米粒子有時(shí)被稱為人造原子，它的組成成分有鎘，鋅，硒，碲，硫等化合物，納米粒子是如此微妙，以致于添加或去除一個(gè)電子，都代表著顯著的變化，這個(gè)屬性，使它們不僅適合用作先進(jìn)的太陽能電池元件，而且適合用于固態(tài)照明，醫(yī)療傳感器和其他領(lǐng)域。

尤其是，膠體量子點(diǎn)（CQDs：colloidal quantum dots）是由一種三組分系統(tǒng)合成，這三個(gè)組分是前體、機(jī)表面活性劑和溶劑，這種量子點(diǎn)可通過改變大小來進(jìn)行調(diào)整，這就可以在光伏結(jié)構(gòu)中，根據(jù)需要調(diào)整頻譜響應(yīng)。最近，多倫多大學(xué)（University of Toronto）的電氣和計(jì)算機(jī)工程系的研究人員，展示了第一款膠體量子點(diǎn)串聯(lián)太陽能電池（CQD tandem solar cells ：一系列連接的太陽能電池，在其中增加更多的設(shè)備，可以優(yōu)化每個(gè)設(shè)備，以較窄的頻譜，實(shí)現(xiàn)較高的整體效率），他們使用尺寸效應(yīng)，調(diào)整單一的膠體量子點(diǎn)材料硫化鉛（lead（II） sulfide-PbS）。他們能夠調(diào)整膠體量子點(diǎn)薄膜，使串聯(lián)和多結(jié)太陽能電池（通過結(jié)合不同大小的膠體量子點(diǎn)來制造）都提高了太陽能電池轉(zhuǎn)換率的限度，從目前的31％分別提高到42％和49％。

這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)是多倫多大學(xué)的愛德華H•薩金特（Edward H. Sargent）教授，他和其他研究人員一起，克服了以前膠體量子點(diǎn)光伏研究遇到的困難，這個(gè)困難就是缺少一個(gè)關(guān)鍵的部分：結(jié)合處，也就是電池正面和背面之間的連接點(diǎn)。“我們的論文之前，”薩金特說，“未曾有人報(bào)道過，膠體量子點(diǎn)太陽能電池可以使正面電流電池，或可見光波長帶隙（visible-wavelength-bandgap）電池，有效匹配背面紅外帶隙（infrared-bandgap）電池，并可以成功地計(jì)算每個(gè)電池的電壓。我們開發(fā)出一種新技術(shù)，稱為梯度復(fù)合層（Graded Recombination Layer），可以連接正面和背面的電池，基本上沒有性能損失，通過一系列材料，逐漸把正面電池的活性轉(zhuǎn)移到背面電池中。”

關(guān)鍵是，堆疊的材料是高度透明的，因此被證明非常有效，可以制成第一款高效率的膠體量子點(diǎn)串聯(lián)電池。薩金特補(bǔ)充說，在這一點(diǎn)上，“膠體量子點(diǎn)光伏主要的先進(jìn)需要，是在膠體量子點(diǎn)層自身內(nèi)部來改善傳輸。這將同樣有利于單結(jié)和多結(jié)太陽能電池。”

在應(yīng)用方面，薩金特指出，“一旦我們超過10％的太陽能轉(zhuǎn)換效率（今天，膠體量子點(diǎn)光伏的最好的報(bào)道是5.6％，所以我們?nèi)匀挥泻荛L的路要走），我們就可以低成本制造柔性，大面積的太陽能電池。具體來說，我們的目標(biāo)效率結(jié)合低成本的材料和制造，可以顯著改善每瓦峰值的整體安裝成本。”

 
量子點(diǎn)中3D限制的電子波函數(shù)（electron wave functions）。這里顯示的是矩形和三角形量子點(diǎn)。矩形量子點(diǎn)中的能量狀態(tài)更像“s-型”和“p-型”。然而，在三角形量子點(diǎn)中，波函數(shù)因限制性對(duì)稱而混合。來源：多倫多大學(xué)

那么，由此推論，膠體量子點(diǎn)光電可以進(jìn)行重大縮放。“即使在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，”薩金特指出，“我們也合成了足夠的膠體量子點(diǎn)，每次都要用完整的吸光材料覆蓋一平方米的表面。工作中仍需要做的，是開發(fā)最終的薄膜處理方法，要兼容大面積的卷對(duì)卷加工。”

薩金特注意到，這與斯坦福大學(xué)（Stanford University）的光子增強(qiáng)熱電子發(fā)射（PETE：Photon Enhanced Thermionic Emission）研究有一些重疊。光子增強(qiáng)熱電子發(fā)射提高了熱電子裝置（把熱轉(zhuǎn)換為電能）的能量轉(zhuǎn)換效率，這種裝置被用作太陽能光熱系統(tǒng)的一流循環(huán)，從而有可能使光電轉(zhuǎn)換率增加一倍。“我們方法的共同點(diǎn)，是把頻譜分裂成兩個(gè)組成部分，就是高能可見光和較低能量但屬于富光子積分通量（abundant-photon-fluence）或電通量的紅外光。這就是說，”他強(qiáng)調(diào)，“也有重要的差異：我們的方法不需要光學(xué)聚集，而光子增強(qiáng)熱電子發(fā)射就需要。此外，我們的裝置在典型的環(huán)境溫度下效果最好；而光子增強(qiáng)熱電子發(fā)射要求陰極運(yùn)行在600 - 800℃。”

薩金特看到，小組研究的下一步是“集中加強(qiáng)膠體量子點(diǎn)薄膜內(nèi)的電子和空穴傳輸，目標(biāo)是制成可低溫加工的柔性低成本太陽能電池，要超過10％的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。”

更多信息：《串聯(lián)膠體量子點(diǎn)太陽能電池采用分級(jí)復(fù)合層》（Tandem colloidal quantum dot solar cells employing a graded recombination layer），《自然光子學(xué)》（Nature Photonics）
http://10.1038/nphoton.2011.123