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新型光敏纳米粒子可获得光电性能提高太阳能转换效率

  加拿大研究人员设计并测试了一种新型固态、稳定的光敏纳米粒子——胶体量子点技术,该技术或将用于开发更为廉价、柔性的太阳能电池及更好的气体感应器、红外激光器、红外发光二极管。此项研究成果发表在最新一期《自然·材料》上。

  胶体量子点基于两种类型的半导体收集阳光:N型(富电子)和P型(乏电子)。但N型半导体材料暴露于空气中时,会与氧原子结合,失去其电子,转变成P型材料。

  论文第一作者、多伦多大学电气与计算机工程系博士后宁志军在接受科技日报记者采访时说,其研究小组开发的新型胶体量子点技术,可使N型材料在暴露于空气中时,不与氧结合。同时维持稳定的N型和P型层,不仅能提高光的吸收效率,还打开了同时获得光捕获和电传导最佳性能的新型光电器件的大门,这也意味着可利用新技术开发出更复杂的气象卫星、遥控设备、卫星通信或污染检测仪。

  宁志军称,这仅是此项材料创新研究的第一步,利用这种新材料可构建出新的器件结构。与普通硅材料电池相比,胶体量子点材料可在低温下合成,耗能低且工艺简单。这种溶液可处理的无机材料增强了电池的稳定性和便携性。研究发现,碘是兼备高效和空气稳定性的量子点太阳能电池的完美配体。

  由于吸收光谱可达红外区域,这种N-P混合型新材料可吸收更多光能,从而使太阳能转换效率最高可达8%。改进性能还仅是这种新型量子点太阳能电池结构的开始,未来这些功能强劲的量子点可与油墨混合,喷涂或印刷到轻薄、柔软的屋面瓦表面,从而大大降低太阳能电力的成本,造福普通民众。

  宁志军介绍,胶体量子点太阳能光伏技术在最近10年里已取得飞速发展,太阳能转换效率已从最初的0.1%提高到实验室条件下的10%左右。但要实现该技术的商业化,还需持续改进其绝对性能,或电力转换效率。

  总编辑圈点

  8%,比起现在单晶硅太阳能电池动辄20%以上的转换效率来说似乎不值一提,但这种比较意义并不大,就像让一个婴儿和一个中年人去掰手腕一样。要知道,两年前胶体量子点电池的转换效率才4.2%,现在是近一倍的增长;而硅基电池在无数研究机构的关注下要提高1%都已非常困难。更何况胶体量子点电池的理论转化效率可达42%,硅基电池才31%。这绝对是一项蒸蒸日上的技术,但要商业化,效率需先提高到10%以上,才能与其他新型材料展开竞争。

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