独辟蹊径的量子线能提高太阳能效率吗？

伴随着第二次工业革命，“电”已经渗透到了人类生活的方方面面。随着电子产品的丰富，人们对电的生产、存储也提出了越来越高的要求，拥有巨大能量的太阳能成为人类汲取电力的理想媒介。

说到太阳能电池、光伏能源，我们首先想到的会是“硅”。硅基太阳能电池陪伴人类至今，可以预见，未来它仍将是一种难以替代的材料，但其较短的使用寿命和低利用率始终制约着它的发展。为提高太阳能电池的效率，延长使用时间，很多科学家投身于光伏材料的研究。

来自美国圣路易斯华盛顿大学的化学教授、材料科学与工程研究所成员Richard Loomis就是众多研究者中的一员。为实现高效率太阳能电池目标，他采取了另辟蹊径的方法，通过调控半导体量子点的组成和形状，找到了一种将光转化为带电粒子的最高效的方式。为此，他像一名经济学家，努力研究如何从太阳发出的固定数量的光和能量中获得最大的电压输出。

我们可以把光致发电划分为两个过程，以硅基太阳能电池为例：

1. 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在PN结两侧集聚形成电位差。
2. 当外部电路接通时，在电压的作用下将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

想要提高太阳能的利用率，降低太阳能电池的能量损失是一种有效的方式。太阳能电池在工作时存在多个能量耗散的过程， Loomis教授从光致发电的两个方面考虑了问题，其一是降低光子转化为电子时的能量过剩，其二是降低电流传输过程中的能量损耗。

1. 光子转化为电子时的能量过剩
   在光子转化为电子的过程中，能量过剩是导致太阳能电池效率低的重要因素之一。每种半导体材料都具有一个能量带隙，只有克服这种能量才能产生移动电子。当光照射到像硅这样的半导体光伏材料上时，如果光子具有足够的能量，就能刺激电子，捕捉电子。这样，光就能从太阳能转换成电能，电能存储为电压。根据爱因斯坦的理论和其光电效应，每吸收一个光子（或光能包），只产生一个电子。如果光子的能量大于带隙能量，多余的能量不会转化为电能，而是以热量的形式被浪费掉。
2. 电流传输过程中的能量损耗
   以传统硅基太阳能电池（由硅晶圆制成）为例。硅除了能将光子转化为能量外，还具有良好的导电性。这意味着在能量或电压通过硅传输到导体，导体再将电压传输到晶圆的过程中，能量损失将减少，这意味着太阳能电池的效率提高。

正如前文所述，光子转化为电子的过程中的能量过剩是导致太阳能电池效率低的原因之一。为了尽可能减少这种“过剩”，半导体材料由于其带隙能量与太阳光的光谱有更好重叠而成为太阳能电池的研究热点。

如果太阳发出的高能蓝色光子被倾向于吸收低能红色光子的材料制成的太阳能电池吸收，那么光子的多余能量就会作为热量被浪费掉。幸运的是，研究人员发现通过将半导体的尺寸缩小到纳米级，半导体的带隙能量可调整至较高能量。这颠覆了传统的认知，即每种半导体材料都倾向于吸收特定颜色的光。因此，可以通过控制半导体纳米材料的尺寸来优化特定颜色组成的光向电能转换，降低光子转化为电子的过程中的能量过剩。为此，科学家们将量子点（3-20 nm的球形分子）作为先进的光伏材料使用。

形状调节减少电荷传输中的能量损失

制约半导体纳米粒子的不仅是光子向电子转化的过程，还包括让电子移动到电极并离开介质这一传输过程。在其他纳米粒子太阳能电池的设计中，电子从半导体纳米粒子进入溶液或聚合物，或者在纳米粒子之间跳跃，直至被收集。这个过程是低效的。

Loomis教授希望尽量减少低效过程，他采取了通过调节材料的形状来解决这一问题。为此，Loomis 和圣路易斯华盛顿大学化学系系主任William Buhro一起，使用碲化镉（CdTe）或硒化镉（CdSe）作为半导体材料，制造出不同维度的纳米材料——量子线。与量子点这种零维材料（三个维度都是纳米尺寸）不同，量子线属于一维材料，即只有一个维度是非纳米尺寸。

就像量子点一样，量子线的形状具有通过调整直径来调节半导体带隙能量的能力。但与量子点不同的是，电荷可以在量子线中进行更规律的运动，避免电荷运动路径的随机性与跳跃性。这些一维量子线为电荷在太阳能电池装置内有效移动提供了管道或路径，直至其被收集和存储，这就很好的减少了电荷传输过程中的能量损失。

“我们制造的半导体量子线非常非常小，只有几纳米，但长度很长，从 2-100 μm不等。” Loomis 说道，“你要知道，将光高效地转化为电荷，需要高物理特性和高光学特性的半导体量子线，很少人能制造出它们来。”

该团队希望制造高质量的半导体量子线，并将其用于太阳能电池设计。他们推断，只要能制造出与量子点具有相似物理和光学特性的量子线，量子线太阳能电池应该比使用量子点的太阳能电池效率更高。目前，Loomis 和 Buhro 团队正在努力研究优化 CdTe 和 CdSe 量子线的光学特性。

超宽光谱范围的荧光光谱仪

Loomis 及其团队使用 HORIBA FluoroMax+高灵敏一体式荧光光谱仪，搭载了FluoroMax和Nanolog®双系统。

“一方面，荧光光谱仪可以帮助我们快速捕获悬浮在溶液中的量子线的光致发光光谱，”他说道。“另一方面，我们有带光电倍增管的扫描单色仪。这样我们能够在 300 nm至 2 μm的宽光谱范围内收集更多定量强度的光谱。没有多少仪器可以跨越如此宽的定量强度波长。”

评判量子线光学性质的量子产率

量子产率是光子发射效率的量度，由发射的光子数与吸收的光子数之比确定。Loomis 使用量子线的光致发光量子产率来判断其光学质量。

当半导体纳米粒子未嵌入到太阳能电池中，而是悬浮在溶液中时，电荷载流子往往会存留在纳米粒子中，最终会通过发光或光致发光来释放能量。样品的光致发光量子产率是衡量半导体量子点质量的关键指标，也是衡量在太阳能电池中效率的指标。理论上，样品的光致发光量子产率越高，在太阳能电池中的效率就越高，因为会降低太阳能转换为电能效率的电荷载流子损耗路径已经被最小化。

Loomis 和 Buhro 正尝试通过先进的合成方案，结合激光和光学光谱仪来表征上述材料的物理和光学特性，从而制造出能够提高太阳能电池效率的材料。

量子线的未来

根据半导体量子点的两个主要应用：太阳能电池设计和 LED 显示器电路。Loomis 推断，量子线下一个应用可能是量子计算机或镍纳米电子。

这是一个激动人心的方向，我们期待Loomis的更多成果。