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晶體硅太陽能電池能量轉換效率的極限約為30％。因此，日本正在把新一代太陽能電池的研發作為國家項目進行推進。其中，被視為終極太陽能電池的是“量子點太陽能電池”。
近來，關于量子點太陽能電池已有新的研究成果。東京大學納米量子信息電子研究機構主任荒川泰彥教授與夏普的研究組證實，量子點太陽能電池能量轉換效率上限為75％以上，推翻了此前公認的63％的說法。
隨著對可再生能源期待的高漲，日本已經把新一代太陽能電池的研發作為了國家項目教學推進。其中，被視為終極太陽能電池的是“量子點太陽能電池”。
其理由是能量轉換效率高。目前，常見的晶體硅太陽能電池的能量轉換效率上限約為30％。而量子點太陽能電池有望達到其2倍以上。
因此，為實現量子點太陽能電池的實用化，全球眾多研究者都在加快研發速度。
用于封閉電子的極小微粒
在這種情況下，對量子點太陽能電池有了新的發現。此前普遍認為其能量轉換效率上限為63％，但2011年4月，東京大學納米量子信息電子研究機構主任荒川泰彥教授與夏普的研究組證實，根據理論計算，其效率能夠達到75％以上。
“量子點”原本就是荒川教授于1982年在全球率先提出的概念，是指為封閉電子而形成的極小顆粒（點）。1個量子點的直徑從幾納米（納米為10億分之1）到幾十納米不等，由大約1萬個原子構成。
把量子點鑲嵌在太陽能電池板的半導體薄膜中，就能夠大幅提高能量轉換效率。
太陽能電池利用“帶隙”把太陽的光能轉換成電能。帶隙是指半導體中“價帶”與“導帶”的能量差，其數值因半導體的種類而異。
由硅等半導體制成的太陽能電池板在受到光線照射后，低能級p型半導體“價帶”中的電子將吸收光能，向高能級n型半導體的“導帶”移動。此時產生的電壓差就作為電力輸出。
在陽光之中，從長波長的紅外線到短波長的紫外線，包含的光線波長各異。光的能量因波長而異，波長越短的光線能量越大。
對于晶體硅太陽能電池，長波長的紅外線光能過低，因此，價帶中的電子無法躍遷到導帶。也就是說，紅外線不轉換為電能。
那么，通過縮小帶隙，使紅外線也能夠使價帶中的電子躍遷至導帶的方法或許可行，但實際情況并非如此。如果縮小帶隙，電壓也將隨之降低，因此無法得到足夠的電力。
而且，能夠作為電力輸出的能量僅限于帶隙部分。在照射能量高于帶隙的紫外線時，其差值將以熱量的形式逸散。也就是說，越縮小帶隙，轉換效率越低。
這就是晶體硅太陽能電池的能量轉換效率上限停滯在30％的原因。既然物理性質決定了帶隙，這也是無可奈何的事情。為此，研究人員們想出了很多避開這種物理限制的方法。其中的終極方法便是使用量子點。
利用“量子隧道效應”
那么，為什么只是把量子點鑲嵌在半導體薄膜中，就能夠大幅提高能量轉換效率呢？
理由在于量子點與量子點之間發生的“量子隧道效應”。
在我們居住的世界中，當面前有一堵墻的時候，要想把球拋到墻的另一面，就需要使拋球高度超過墻壁。但是，在微米（微為100萬分之1）和納米規模的量子力學的世界中，即使拋球的高度低于墻壁，也有辦法把球拋到墻壁的另一邊。也就像是墻上存在隧道一般，因此叫做量子隧道效應。
在半導體薄膜上以數納米的間隔規則排列著量子點，那么量子點之間就會發生這種現象。而且，如果尺寸為納米規模，量子點中封閉的電子就會擁有分散的能量值，這稱為“能級”。
因此，當量子隧道效應在存在能級的地方發生時，其表現就像是在價帶與導帶的帶隙中間形成了“迷你帶”一般。
如果形成迷你帶，電子就能夠吸收長波長的光線，躍遷到迷你帶。躍遷到迷你帶的電子可以再吸收其他光線，繼續躍遷至更高的能帶。這樣就也能夠吸收此前晶體硅太陽能電池未能利用的長波長光線。
也就是說，量子點太陽能電池能夠通過使用量子點在帶隙之間形成迷你帶，吸收更多的波長光線，從而提高能量轉換效率。
關于量子點太陽能電池，研究者們多年來一直相信一個定論。那就是西班牙馬德里理工大學教授1997年發表的“量子點太陽能電池的理論能量轉換效率上限為63％”。
就指出能量轉換效率上限能夠提高到晶體硅太陽能電池的2倍以上而言，這項發表意義深遠，這也是量子點太陽能電池被稱之為“終極太陽能電池”的由來。
但提出量子點的荒川教授對此卻抱有疑問。
荒川教授回顧道：“探討約63％的數值是否真的是上限是我們開展研究的出發點。”
馬德里理工大學的教授把量子點形成的迷你帶的數量假設為一。而荒川教授認為，通過控制量子點的大小和形狀，或許能夠形成多條迷你帶。如果能夠實現，能量轉換效率還將進一步提升。
荒川教授解釋說：“例如，管樂器在調整大小，把音的波長縮小到一半后，可以吹奏出高一個八度的音符。而電子具有波的性質，因此我想到，與管樂器一樣，通過改變量子點的大小和形狀，或許可以自由控制電子的能級。”
經過反復研究，進行理論計算和計算機模擬的結果證實，通過控制量子點的大小、形狀和位置等條件，能夠形成多條迷你帶。
荒川教授說：“研究結果顯示，形成4條迷你帶時，能量轉換效率能夠達到75％。上限預計為80％。”
近來，關于量子點太陽能電池已有新的研究成果。東京大學納米量子信息電子研究機構主任荒川泰彥教授與夏普的研究組證實，量子點太陽能電池能量轉換效率上限為75％以上，推翻了此前公認的63％的說法。
隨著對可再生能源期待的高漲，日本已經把新一代太陽能電池的研發作為了國家項目教學推進。其中，被視為終極太陽能電池的是“量子點太陽能電池”。
其理由是能量轉換效率高。目前，常見的晶體硅太陽能電池的能量轉換效率上限約為30％。而量子點太陽能電池有望達到其2倍以上。
因此，為實現量子點太陽能電池的實用化，全球眾多研究者都在加快研發速度。
用于封閉電子的極小微粒
在這種情況下，對量子點太陽能電池有了新的發現。此前普遍認為其能量轉換效率上限為63％，但2011年4月，東京大學納米量子信息電子研究機構主任荒川泰彥教授與夏普的研究組證實，根據理論計算，其效率能夠達到75％以上。
“量子點”原本就是荒川教授于1982年在全球率先提出的概念，是指為封閉電子而形成的極小顆粒（點）。1個量子點的直徑從幾納米（納米為10億分之1）到幾十納米不等，由大約1萬個原子構成。
把量子點鑲嵌在太陽能電池板的半導體薄膜中，就能夠大幅提高能量轉換效率。
太陽能電池利用“帶隙”把太陽的光能轉換成電能。帶隙是指半導體中“價帶”與“導帶”的能量差，其數值因半導體的種類而異。
由硅等半導體制成的太陽能電池板在受到光線照射后，低能級p型半導體“價帶”中的電子將吸收光能，向高能級n型半導體的“導帶”移動。此時產生的電壓差就作為電力輸出。
在陽光之中，從長波長的紅外線到短波長的紫外線，包含的光線波長各異。光的能量因波長而異，波長越短的光線能量越大。
對于晶體硅太陽能電池，長波長的紅外線光能過低，因此，價帶中的電子無法躍遷到導帶。也就是說，紅外線不轉換為電能。
那么，通過縮小帶隙，使紅外線也能夠使價帶中的電子躍遷至導帶的方法或許可行，但實際情況并非如此。如果縮小帶隙，電壓也將隨之降低，因此無法得到足夠的電力。
而且，能夠作為電力輸出的能量僅限于帶隙部分。在照射能量高于帶隙的紫外線時，其差值將以熱量的形式逸散。也就是說，越縮小帶隙，轉換效率越低。
這就是晶體硅太陽能電池的能量轉換效率上限停滯在30％的原因。既然物理性質決定了帶隙，這也是無可奈何的事情。為此，研究人員們想出了很多避開這種物理限制的方法。其中的終極方法便是使用量子點。
利用“量子隧道效應”
那么，為什么只是把量子點鑲嵌在半導體薄膜中，就能夠大幅提高能量轉換效率呢？
理由在于量子點與量子點之間發生的“量子隧道效應”。
在我們居住的世界中，當面前有一堵墻的時候，要想把球拋到墻的另一面，就需要使拋球高度超過墻壁。但是，在微米（微為100萬分之1）和納米規模的量子力學的世界中，即使拋球的高度低于墻壁，也有辦法把球拋到墻壁的另一邊。也就像是墻上存在隧道一般，因此叫做量子隧道效應。
在半導體薄膜上以數納米的間隔規則排列著量子點，那么量子點之間就會發生這種現象。而且，如果尺寸為納米規模，量子點中封閉的電子就會擁有分散的能量值，這稱為“能級”。
因此，當量子隧道效應在存在能級的地方發生時，其表現就像是在價帶與導帶的帶隙中間形成了“迷你帶”一般。
如果形成迷你帶，電子就能夠吸收長波長的光線，躍遷到迷你帶。躍遷到迷你帶的電子可以再吸收其他光線，繼續躍遷至更高的能帶。這樣就也能夠吸收此前晶體硅太陽能電池未能利用的長波長光線。
也就是說，量子點太陽能電池能夠通過使用量子點在帶隙之間形成迷你帶，吸收更多的波長光線，從而提高能量轉換效率。
關于量子點太陽能電池，研究者們多年來一直相信一個定論。那就是西班牙馬德里理工大學教授1997年發表的“量子點太陽能電池的理論能量轉換效率上限為63％”。
就指出能量轉換效率上限能夠提高到晶體硅太陽能電池的2倍以上而言，這項發表意義深遠，這也是量子點太陽能電池被稱之為“終極太陽能電池”的由來。
但提出量子點的荒川教授對此卻抱有疑問。
荒川教授回顧道：“探討約63％的數值是否真的是上限是我們開展研究的出發點。”
馬德里理工大學的教授把量子點形成的迷你帶的數量假設為一。而荒川教授認為，通過控制量子點的大小和形狀，或許能夠形成多條迷你帶。如果能夠實現，能量轉換效率還將進一步提升。
荒川教授解釋說：“例如，管樂器在調整大小，把音的波長縮小到一半后，可以吹奏出高一個八度的音符。而電子具有波的性質，因此我想到，與管樂器一樣，通過改變量子點的大小和形狀，或許可以自由控制電子的能級。”
經過反復研究，進行理論計算和計算機模擬的結果證實，通過控制量子點的大小、形狀和位置等條件，能夠形成多條迷你帶。
荒川教授說：“研究結果顯示，形成4條迷你帶時，能量轉換效率能夠達到75％。上限預計為80％。”
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