研究人員開發(fā)出能夠比一個光子產(chǎn)生一個電子的模式收獲更多電子的太陽能電池。

研究人員日前研制出一種新型太陽能電池，能夠捕捉到陽光中通常以熱量損失掉的額外能量。迄今為止，這種新型太陽能電池將陽光轉(zhuǎn)化為電能的效率依然低于商用太陽能電池。然而如果這一過程得到改進(jìn)，將為研制新一代更高效的太陽能電池鋪平道路。

對大多數(shù)材料而言，陽光的光子向電能的轉(zhuǎn)化已被充分搞清。不同顏色的光子具有不同的能量。在可見光區(qū)，紅色與橙色具有較少的能量，然而藍(lán)色、紫色和紫外光子則攜帶了較多的能量。當(dāng)高能光子接觸到太陽能電池中的半導(dǎo)體材料時，它們便會把這種能量轉(zhuǎn)移給半導(dǎo)體電子，從而將其從靜止?fàn)顟B(tài)激發(fā)，并形成電流。在許多情況下，紫光和紫外線的高能光子攜帶的能量要多于形成電流所需的能量。但是這些額外的能量都以熱量的形式損失了。

幾年前，來自多個研究小組的科學(xué)家報告說，陽光中的高能光子實際上能夠激發(fā)不止一個電子，前提是它們所碰到的半導(dǎo)體由一種名為量子點的納米級微粒構(gòu)成。這一過程——被稱為多重激子發(fā)生（MEG）——為研究人員通過收集這些額外的電荷從而改進(jìn)太陽能電池的效率帶來了希望。然而制造能夠工作的MEG太陽能電池卻不是一件容易事。

去年，由美國拉勒米市懷俄明州立大學(xué)的化學(xué)家Bruce Parkinson領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《科學(xué)》雜志上報告說，他們開發(fā)出一種裝置，即在一種半導(dǎo)體上覆蓋了一層硫化鉛量子點，能夠激發(fā)出比它所接收到的光子數(shù)量更多的電子，從而產(chǎn)生了更大的電流，而這正是MEG的特征。然而與一枚能夠?qū)嶋H應(yīng)用的太陽能電池相比，這種裝置更多的是對概念的證明，原因是它的轉(zhuǎn)化效率過低。

如今，由科羅拉多州國家再生能源實驗室的化學(xué)家Arthur Nozik領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報告說，他們研制出第一枚能夠工作的MEG太陽能電池。Nozik表示，制造這種裝置的關(guān)鍵就是想出一個化學(xué)合成的方法，隨后再對量子點進(jìn)行處理。在合成時，這些量子點——由直徑約5納米的鉛和硒微粒構(gòu)成——與長有機(jī)分子結(jié)合在一起。然而之前的研究表明，這些長有機(jī)鏈就像是包裹在電線周圍的塑料絕緣體。

因此Nozik的研究小組用兩種無色液體——聯(lián)氨和1,2-乙二硫醇——處理了他們的量子點，從而使其被短鏈有機(jī)物所包圍。這樣使得電荷更容易移動，并最終使太陽能電池將光變?yōu)殡姷目傂�率達(dá)到5%。研究小組在最新一期出版的《科學(xué)》雜志上報告了這一研究成果。盡管這一效率依然低于傳統(tǒng)的硅太陽能電池——約為20%，但重要的是，這種裝置采集的電荷數(shù)比擊打量子點的光子數(shù)多了30%，從而使其成為真正意義上的MEG太陽能電池。

Parkinson表示：“他們將它變成了一種真正的裝置，并證明其能夠采集真正的能量……從而為下一代太陽能電池的設(shè)計帶來了希望。”