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澳大利亞的研究人員開發出一種算法，可以準確計算出太陽能電池板提升至最高效率所需的量子點尺寸和密度。

澳大利亞莫納什大學是澳大利亞研究理事會激子科學卓越中心（ARC Centre of Excellence in Exciton Science）的成員，該大學的研究人員認為，如果他們的研究成果能夠完全實現，太陽能電池的運行效率將大大超過目前的記錄，達到一個遙遙領先的水平。

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光聚變與PbS量子點

量子點技術因其有望打破太陽能電池的效率限制，長期以來備受關注，太陽能電池的效率限制通常為Shockley-Queisser效率限制（約33%）。

量子點可用于光聚變（或光化學上轉換），將“浪費”的光上轉換成太陽能電池的電流。光聚變過程使用光“敏化劑”和光“發射器”，將能量低于太陽能電池帶隙的光子轉換成能量較高的光子，否則這些光子就無法轉換成電流。這就增加了電池可有效利用的光量，從而提高了效率。

將量子點技術應用于光電技術的現有研究表明，量子點敏化劑的性能優于傳統上用于光聚變的有機敏化劑。這是由于量子點具有很高的光穩定性和吸收特性：具體來說，它們的吸收系數非常大，吸收截面可在很寬的能量范圍內進行“調整”。

在選擇敏化劑時，莫納什大學的研究人員決定使用IV-VI族元素的量子點，因為它們具有所需的能級，適用于大規模合成，并可以調整以吸收最常用的太陽能電池材料硅的帶隙以下的光。

在IV-VI量子點家族中，硫化鉛（PbS）因其元素含量豐富且已被普遍合成而被選作研究對象。

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優化量子點

經過一系列的實驗驗證，莫納什大學的研究人員發現，量子半徑約為2.2納米的PbS量子點敏化劑在硅太陽能電池中產生了最佳效果，其指標性能遠遠超過了目前的記錄。這個結果是在硅環境中得到的，是一個重要的發現。現有實驗使用的有機敏化劑，與硅太陽能電池不兼容，鑒于硅是目前太陽能電池中使用到的最主要的光伏技術，這其實是一個相當大的商業應用上的突破。

大范圍的半徑和濃度表明，即使在需要與硅相容的要求下，如果實現，也有可能達到數量級層面上的優化。這些發現還讓人們對量子點的大小與太陽能電池捕獲的太陽光譜范圍的關系及其對能效的影響有了更深入的了解。

對適用于量子點的物理定律的初步解釋表明，更大的量子點可以捕捉到更多的太陽光譜，而且更有效。盡管莫納什大學的研究人員說這個模型“概念上是正確的”，但他們發現必須在四個關鍵細節上加以完善：

? 由于地球大氣層中有水，地球表面的太陽光近紅外光譜結構復雜，量子點的顏色必須根據太陽光的峰值進行調整；

? 超大型量子點的膠體穩定性較低，而且由于它們不能重疊，因此不得不犧牲濃度來增大尺寸；

? 量子點在能量高于第一激發態時是不透明的；

? 能量必須以放熱的形式從敏化劑轉移到發射分子。

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商業前景與未來發展

原則上，PbS 量子點與所有帶隙大于塊狀PbS的光伏元件兼容。由于光聚變工藝可以通過液態形式合成，因此它也有可能足夠便宜，即使很小的價格優勢也可能具有足夠的經濟效益。

要實現商業化，PbS 感光劑需要相應的光發射器，這種發射器應能提供從感光劑到發射器的高效能量轉移、穩定的能量存儲、高效熒光以及其他一些特性。據研究人員稱，所有這些特性都已在實驗中分別得到了驗證，但尚未同時得到驗證。

該論文的共同作者拉斯洛-弗雷澤博士強調，為了最大限度地提高太陽能電池的效率，我們必須加深對太陽能鏈中從太陽和大氣到太陽能電池和量子點本身的每一個元素的了解。該研究的合著者貝內迪克塔-謝里希望這項研究“最終能讓社會更多地依賴光伏太陽能，它不僅高效，而且經濟實惠”。研究人員的算法可以免費使用，并能模擬不同光照、吸收和發射光譜的場景。

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參考文獻

1. Benedicta Sherrie, Alison M. Funston, Laszlo Frazer (2020) Optimal quantum dot size for photovoltaics with fusion.?Nanoscale.?https://doi.org/10.1039/D0NR07061K

2. Octavi E. Semonin, Joseph M. Luther, Matthew C. Beard (2012) Quantum dots for next-generation photovoltaics.?Materials Today.?https://doi.org/10.1016/S1369-7021(12)70220-1

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