提高太阳能效率

Richard Loomis 正尝试研制更好的太阳能电池。为实现这一目标，他另辟蹊径。

Loomis 是圣路易斯华盛顿大学的化学教授兼化学博士生课程研究主任，也是材料科学与工程研究所成员。Loomis 对半导体量子点的组成和形状进行试验。其目的是以最有效方式将光转化为带电粒子，进而转化为电压，光是由被称为光子的能量包组成。

光产生的电压

Richard Loomis, Ph.D., is a Professor of Chemistry and the Director of Graduate Studies for the Chemistry Ph.D. program

不过他确实是一名经济学家，主要从事如何从太阳发出的固定数量的光和能量中获得最大的电压输出。太阳发出从紫外线到红外线等不同颜色的光，这是他工作面临的困难。每种半导体材料都倾向于吸收特定颜色的光。如果太阳发出的高能蓝色光子被倾向于吸收低能红色光子的材料制成的太阳能电池吸收，那么光子的多余能量就会作为热量被浪费掉。

一些太阳能电池设计现在加入了半导体量子点吸收阳光并生成带电粒子。半导体量子点是纳米级别的粒子，可以用来将光有效地转化为电荷和电压。上述粒子的直径为纳米；十亿纳米等于一米。人的头发直径大约为 10 万纳米。

为什么要在太阳能电池的制造中使用纳米材料？背景小知识。

每种半导体材料都具有能量，被称为带隙能量，克服这种能量才能产生移动电子。当光照射到像硅这样的半导体光伏材料上时，如果光子具有足够的能量可以刺激电子，便能捕捉电子。这样，光就能从太阳能转换成电能，电能存储为电压。根据爱因斯坦的理论和其光电效应，每吸收一个光子（或光能包），只产生一个电子。如果光子的能量大于带隙能量，那么多余的能量不会转化为电能，而是作为热量被浪费掉。

传统上，太阳能电池由硅晶圆制成。硅有一项非常重要的特性，即导电性。硅除了能将光子转化为能量外，还具有良好的导电性。这意味着在能量或电压通过硅传输到导体，导体再将电压传输到晶圆的过程中，能量损失将减少。这意味着太阳能电池的效率提高。

其它材料

其他半导体材料现在正在被使用，因为其带隙能量与太阳光的光谱有更好重叠。研究人员在近期发现，通过将半导体的尺寸缩小到纳米级，半导体的带隙能量可调整至较高能量。因此，可以通过控制半导体纳米材料的尺寸来优化特定颜色组成的光向电能转换。这也意味着，使用适当尺寸的半导体纳米材料可以降低收集电荷时沿光伏材料传输的能量损耗。科学家们传统上将量子点，大小约为 3 纳米至 20 纳米的球形分子，作为先进的光伏材料使用。

除了量子点，研究人员还在太阳能电池中加入化学成分不同的半导体纳米粒子，后者呈现量子棒（像小米粒）和量子血小板（像小煎饼）形状。许多太阳能电池的设计已经不再使用硅作为半导体，目前使用的是碲化镉（CdTe），因为它可以比硅更好地吸收更多的太阳光谱。

Loomis 和圣路易斯华盛顿大学化学系系主任 William Buhro 采取了不同方法。他们也使用碲化镉或硒化镉（CdSe）作为吸收半导体材料，但是他们制造和使用了不同维度的纳米材料。

形状创新

“我们制造的半导体量子线非常非常小...CdTe 或 CdSe 线的尺寸只有几纳米，但长度很长，从 2 微米到 100 微米（最长为十分之一毫米）不等，” Loomis 说道。Loomis 说：“很少人能制造出将光高效地转化为电荷所需的高物理特性和高光学特性的半导体量子线。

量子线的形状具有通过调整直径来调节半导体带隙能量的能力，就像量子点一样。但是，这些一维量子线也为电荷在太阳能电池装置内有效移动提供了管道或路径，直至其被收集和存储。这与电荷在量子点或其他形状薄膜上的运动形成对比，电荷在其他形状薄膜上的移动路径更随机，会在粒子之间跳跃，直至电荷在电极上被收集。

“量子线具备可供电荷移动的空间，”Loomis 说道。“制约半导体纳米粒子的不仅是电子的形成，还有让电子移动到电极并离开介质这一传输过程。在其他纳米粒子太阳能电池的设计中，电子从半导体纳米粒子进入溶液或聚合物，或者在纳米粒子之间跳跃，直至被收集。”

“这一过程可能效率低，”他说道。“我们希望尽量减少低效过程，希望电荷沿着半导体量子线传输到电极。这是我们的想法。”

该团队希望制造高质量的半导体量子线，并将其用于太阳能电池设计。他们推断，只要能制造出与量子点具有相似物理和光学特性的量子线，量子线太阳能电池应该比使用量子点的太阳能电池效率更高。此时，Loomis 和 Buhro 团队正在优化 CdTe 和 CdSe 量子线的光学特性。

Loomis 及其团队使用 HORIBA FluoroMax®双系统，一是 Fluoromax，二是 Nanolog®。

“一方面，我们有荧光光谱仪，所以我们可以快速捕获悬浮在溶液中的量子线的光致发光光谱，”他说道。“另一方面，我们有带光电倍增管的扫描单色仪。这样我们能够在 300 纳米至 2 微米的光谱范围内收集更多定量强度的光谱。没有多少仪器可以跨越如此宽的定量强度波长。”

量子产率

Loomis 使用量子线样品的光致发光量子产率来判断其光学质量。量子产率是光子发射效率的量度，由发射的光子数与吸收的光子数之比确定。当半导体纳米粒子未嵌入到太阳能电池中，而是悬浮在溶液中时，电荷载流子往往会存留在纳米粒子中，最终会通过发光或光致发光来释放能量。样品的光致发光量子产率是衡量半导体量子点质量的关键指标，也是衡量在太阳能电池中效率的指标。原则上，样品的光致发光量子产率越高，在太阳能电池中的效率就越高，因为会降低太阳能转换为电能效率的电荷载流子损耗路径已经被最小化。

Loomis 和 Buhro 正尝试通过先进的合成方案，结合激光和光学光谱仪来表征上述材料的物理和光学特性，从而制造出能够提高太阳能电池效率的材料。他们采用光致发光测量措施测量光的吸收和发射情况，以及量子产率。

半导体量子点有两个主要应用：太阳能电池设计和 LED 显示器电路。Loomis 表示，根据摩尔定律，量子线下一个应用可能是量子计算机或镍纳米电子。（据观察，密集集成电路中的晶体管数量大约每两年翻一番）手机设计和功能微型化，实质上是制造一台袖珍电脑，是这个“定律”持续而缓慢过程的例证。