改善太陽能電池,讓納米晶體不只產生一個電子

2020-11-26 OFweek維科網

　　洛斯阿拉摩斯(Los Alamos)實驗室，一個由威克多 克裡莫夫(Victor Klimov)帶領的研究員團隊展示載子倍增(carrier multiplication)現象-一個光子產生多個電子-這是一個在極微小的半導體晶體中的真實現象而非外在的影響產生擬載子倍增的錯誤觀察。這個結果在最近發布的化學研究報告(Accounts of Chemical Research)中提到，這將有機會改善太陽能電池，讓一個光子不止產生一個單位的能量。問題是如何利用這個現象讓太陽能電池產生的電力可以增加，美國洛斯阿拉摩斯國家實驗室的研究員利用極微小的半導體顆粒完成這項實驗。

　　當一個常見的太陽能電池吸收光線中的光子，產生的電子便會形成電流，過多的能量則會使材料晶格中的原子產生震蕩也就是所謂的聲子(phonons)，最後以熱的方式逸施，經由載子倍增則可以使過多的能量轉換到材料晶格中其它的電子而產生電流，因此獲得更有效率的電池。克裡莫夫與他的同僚，展示了半導體的納米晶體在吸收一個光子後產生不止一個電子，有一部分是因為材料的納米尺寸效應，增加了電子之間的相互作用並且局限於晶體之中。

　　在2004年洛斯阿拉摩斯的研究員李察 夏勒(Richard Schaller)與克裡莫夫第一次發表他們的觀察，利用硒化鉛(lead selenide)的納米晶體在吸收一個光子之後產生強烈的載子倍增現象並產生兩對的電子-空穴對，一年後，阿瑟 諾席克(Arthur Nozik)與其它美國再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)的工作夥伴重現這個實驗結果。最後由光譜的結果顯示，載子倍增現象可以在各種不同的納米晶體中被觀察到，包括矽。

　　最近，有關載子倍增的研究發生了一些爭論，他們發現與之前結果相反，特別是一些較低或被忽略的載子倍增效率，為了找出這些分歧，洛斯阿拉摩斯的研究員將之前的實驗結果延伸，在多種不同的樣品中調整偵測的技術以及模擬載子倍增的光譜。一個特殊的偵測的確會影響最後的結果，克裡莫夫團隊中的博士後研究員約翰 麥奎爾(John McGuire)利用兩種不同的光譜儀來調查載子倍增-瞬間吸收(transient absorption)與時間解析光激螢光(time-resolved photo- luminescence)，這兩種方法皆獲得一致的結果，利用不同的偵測技術是無法解釋強光下所產生的不一致，儘管這些量測顯現了樣品間不同的載子倍增產率，但這些變化是非常小的。

　　排除了這兩個造成分歧的潛在原因，研究員專著於納米晶體的擬載子倍增的現象，其中之一便是光致電離(photoionization)。」當納米晶體吸收了一個高能量的光子，電子可獲得足夠的能量脫離這個材料。」克裡莫夫解釋「因此形成一個帶電的納米晶體，它包含一個正電的空穴，此時第二個光子經由光致發電產生另一個電子，並產生第二個空穴。」為了證實是光致電離的影響，洛斯阿拉摩斯的研究員設計了一個接續的實驗，靜置然後攪拌納米晶體的溶液，然後移除已量測過的帶電納米粒子，因此當晶體受光影響，攪拌可以消除帶電的納米晶體吸收第二個光子的能量。當攪拌有些樣品仍無法影響量測的結果，證實攪拌確實可以消除因光致電離產生的差異，因為之前的量測皆為靜置的測試。

　　洛斯阿拉摩斯的研究員重新為載子倍增產率下批註，當光致電離被壓制時，所有的結果是肯定的。當量測電子的產率比之前要低時，載子倍增產率仍然遠大於塊材，因此要產生多個電子，就必須使用納米晶體。這些結果證實納米尺度的晶體確實可以有效的利用太陽光。克裡莫夫最後提到「研究員仍有許多工作要做，一個重要的挑戰在於如何設計一個材料可以產生多餘的電子，突破半導體能階的限制，使原本的轉換效率由31%提升至超過40%。」（編輯：於佔濤）
 

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