多重激子可提升太陽電池效率
- 上線日期：2010/9/10 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國再生能源國家實驗室及科羅拉多大學的科學家發現，在硒化鉛(PbSe)量子點(quantum dot)中產生多重激子(multiple excitons)要比在塊材中容易多了。這項發現對於提升光伏元件的太陽能轉換效率(solar-energy conversion efficiency)可能有重大影響。
一個高能量的光子照射在光伏材料上可以產生數個低能量的激子，這些激子分離後便能產生光電流。這種發生在量子侷限系統(quantum confined systems)如量子點中的效應，稱為多重激子產生(MEG)。在塊材半導體中，相似的過程稱為衝擊游離(impact ionization)，雖然此效應已經被用來提升雪崩光二極體的光電轉換效率，但並不足以增加光伏電池的太陽能轉換效率。
太陽光譜含蓋的能量約在0.3~3 eV之間，比大部分半導體能隙還大，因此當陽光照射在這些材料時會產生能量比能隙高的電子或電洞，稱為熱載子(hot carriers)。在塊材半導體中，熱載子會在數皮秒內迅速冷卻並釋放出聲子(phonon)，亦即透過晶格振盪將能量以熱的形式釋出，這正是現行的太陽電池有高達50%能量損失的主因。因此如何有效利用熱載子的能量來產生更多激子，是發展光伏元件的重要議題。
拜量子侷限效應(quantum confinement effect)之賜，量子點能帶內的能階(intra-band energy levels)有較大的間距，與聲子間的交互作用較小，因此能克服這個問題。上述團隊證實在量子點中MEG的效率比相對應的塊材要高，這個發現對於太陽能轉換效率的提升會有很大的幫助。目前量子點已經可以利用很多不同的方法結合到太陽能元件中，如肖特基接面太陽能電池(Schottky junction solar cells)或量子點敏化太陽能電池(QDs sensitized solar cells)。
由於多重激子和單激子能態對應的載子動態過程(carrier dynamics)不同，研究人員利用超快光譜技術來檢測量子點中是否有MEG發生。他們發現即使以低通量高能量的光照射在量子點上，也可以產生多重激子能態。雖然此實驗證實利用量子點有較高的MEG效率，但未來仍需有效抑制熱載子的其他鬆弛(relaxation)過程，以進一步提高MEG的效率。詳見近期的Nano Letters | DOI: 10.1021/nl101490z。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/43454
譯者:院繼祖(中央研究院應用科學研究中心)
責任編輯:蔡雅芝
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