【阿拉丁试剂】优化量子点，实现太阳能电池板效率最大化

澳大利亚的研究人员开发出一种算法，可以准确计算出太阳能电池板提升至最高效率所需的量子点尺寸和密度。

澳大利亚莫纳什大学是澳大利亚研究理事会激子科学卓越中心（ARC Centre of Excellence in Exciton Science）的成员，该大学的研究人员认为，如果他们的研究成果能够完全实现，太阳能电池的运行效率将大大超过目前的记录，达到一个遥遥领先的水平。

光聚变与PbS量子点

量子点技术因其有望打破太阳能电池的效率限制，长期以来备受关注，太阳能电池的效率限制通常为Shockley-Queisser效率限制（约33%）。

量子点可用于光聚变（或光化学上转换），将“浪费”的光上转换成太阳能电池的电流。光聚变过程使用光“敏化剂”和光“发射器”，将能量低于太阳能电池带隙的光子转换成能量较高的光子，否则这些光子就无法转换成电流。这就增加了电池可有效利用的光量，从而提高了效率。

将量子点技术应用于光电技术的现有研究表明，量子点敏化剂的性能优于传统上用于光聚变的有机敏化剂。这是由于量子点具有很高的光稳定性和吸收特性：具体来说，它们的吸收系数非常大，吸收截面可在很宽的能量范围内进行“调整”。

在选择敏化剂时，莫纳什大学的研究人员决定使用IV-VI族元素的量子点，因为它们具有所需的能级，适用于大规模合成，并可以调整以吸收最常用的太阳能电池材料硅的带隙以下的光。

在IV-VI量子点家族中，硫化铅（PbS）因其元素含量丰富且已被普遍合成而被选作研究对象。

优化量子点

经过一系列的实验验证，莫纳什大学的研究人员发现，量子半径约为2.2纳米的PbS量子点敏化剂在硅太阳能电池中产生了最佳效果，其指标性能远远超过了目前的记录。这个结果是在硅环境中得到的，是一个重要的发现。现有实验使用的有机敏化剂，与硅太阳能电池不兼容，鉴于硅是目前太阳能电池中使用到的最主要的光伏技术，这其实是一个相当大的商业应用上的突破。

大范围的半径和浓度表明，即使在需要与硅相容的要求下，如果实现，也有可能达到数量级层面上的优化。这些发现还让人们对量子点的大小与太阳能电池捕获的太阳光谱范围的关系及其对能效的影响有了更深入的了解。

对适用于量子点的物理定律的初步解释表明，更大的量子点可以捕捉到更多的太阳光谱，而且更有效。尽管莫纳什大学的研究人员说这个模型“概念上是正确的”，但他们发现必须在四个关键细节上加以完善：

• 由于地球大气层中有水，地球表面的太阳光近红外光谱结构复杂，量子点的颜色必须根据太阳光的峰值进行调整；

• 超大型量子点的胶体稳定性较低，而且由于它们不能重叠，因此不得不牺牲浓度来增大尺寸；

• 量子点在能量高于第一激发态时是不透明的；

• 能量必须以放热的形式从敏化剂转移到发射分子。

商业前景与未来发展

原则上，PbS 量子点与所有带隙大于块状PbS的光伏元件兼容。由于光聚变工艺可以通过液态形式合成，因此它也有可能足够便宜，即使很小的价格优势也可能具有足够的经济效益。

要实现商业化，PbS 感光剂需要相应的光发射器，这种发射器应能提供从感光剂到发射器的高效能量转移、稳定的能量存储、高效荧光以及其他一些特性。据研究人员称，所有这些特性都已在实验中分别得到了验证，但尚未同时得到验证。

该论文的共同作者拉斯洛-弗雷泽博士强调，为了最大限度地提高太阳能电池的效率，我们必须加深对太阳能链中从太阳和大气到太阳能电池和量子点本身的每一个元素的了解。该研究的合著者贝内迪克塔-谢里希望这项研究“最终能让社会更多地依赖光伏太阳能，它不仅高效，而且经济实惠”。研究人员的算法可以免费使用，并能模拟不同光照、吸收和发射光谱的场景。

参考文献

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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