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高效 绿色量子点太阳能电池利用缺陷

科技 2020-05-20 11:01:42

洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的新型量子点太阳能电池的效率与现有的量子点设备相当,但不含大多数此类太阳能电池所依赖的铅或其他有毒元素。

“这种量子点方法为一种新型的、不含有毒元素的廉价太阳能电池带来了巨大的希望,这种电池具有显著的缺陷容忍度,”在洛斯阿拉莫斯研究半导体纳米晶体的物理学家维克多·克里莫夫(Victor Klimov)说,他也是《自然能源》(Nature Energy)杂志封面报道的主要作者。

研究人员不仅展示了高效的设备,还揭示了其显著的缺陷耐受性背后的机制。硒化铜铟量子点的缺陷状态并没有阻碍光电性能,反而有助于光电转换过程。

量子点已经有了很多用途,未来还会有更多用途。特别是,它们是非常有效的光发射器。它们不同于其他类型的发光材料,因为它们的颜色不是固定的,可以通过调整量子点的大小很容易地调整。这一特性已被用于显示器和电视,不久将有助于制造更高效、颜色可调的灯泡。

通过胶体合成制备的纳米半导体晶体的独特物理性质已经吸引了科学家几十年。由于纳米晶体的尺寸非常小,只有几纳米宽,因此它们的性能可以在最基本的量子力学水平上加以控制。因此,它们被称为“量子点”。

量子点的大小可调特性也可以帮助有效地捕捉阳光,这在太阳能转换中是非常有用的。现代量子点太阳能电池的效率迅速接近传统薄膜太阳能电池。然而,在大多数情况下,它们含有高毒性重金属,如铅和镉,这限制了它们的实际用途。

洛斯阿拉莫斯的研究人员描述了新型高效量子点太阳能电池,这种电池不含任何有毒元素。研究小组使用了铜、铟和硒的反应,加上锌,制造出了掺杂锌的量子点。这些点被加入到多孔二氧化钛薄膜的空隙中,用作电荷收集电极。

入射的太阳光子被量子点吸收,导致紧密结合的电子释放到一个高迁移率的传导带。这些电子被转移到二氧化钛电极,最终产生了光电流。

“我们对设备的测量结果感到惊喜,”克里莫夫说。“由于它们的组成非常复杂(四种元素合成在一个纳米粒子中),这些点很容易产生缺陷。尽管有这些缺陷,它们在我们的太阳能电池中显示出近乎完美的性能——每100个吸收的光子中,我们检测到85个光电生成的电子,这意味着光子到电子的转换效率是85%。”

高的光电转换效率,加上卓越的缺陷容忍度和无有毒元素的成分,使这些量子点成为非常有前途的材料,用于实现廉价、易于扩展和潜在的一次性太阳能电池。


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