Only Perception: 新奈米薄膜承諾有效率的太陽能轉換

2008-01-13

新奈米薄膜承諾有效率的太陽能轉換

New nanostructured thin film shows promise for efficient solar energy conversion
http://www.physorg.com/news119024680.html

January 08, 2008

在讓太陽能電池變得更加便宜且更有效率的競賽中，許多研究者與新興公司都下賭注在運用奈米結構的新設計上。

現在有二種改造太陽能電池材料的奈米技術，證實大有可為。其中一種利用金屬氧化物奈米粒子的薄膜（例如二氧化鈦）摻入其他元素（例如氮）。另一種策略則利用量子點 -- 奈米大小的結晶體 -- 能強力吸收可見光。這些細小的半導體將電子注入金屬氧化物薄膜中，或稱使其「敏化（sensitize）」，以增加太陽能的轉換。摻入與量子點敏化都能延伸金屬氧化物材料的可見光吸收。

根據 Jin Zhang，UCSC 化學教授，結合這兩種方式，顯然能比單一一種方法產生更好的太陽能電池材料。Zhang 領導一個來自加州、墨西哥與中國的團隊創造出一種摻雜氮與使其敏化之量子點薄膜。在測試時，這種新奈米複合材料的表現超乎預期 -- 整個材料的作用猶如 1 + 1 會大於 2。

"我們發現了一種新策略，那對於增強基於奈米材料之太陽能電池的光子回應與轉換效率將十分有用，" Zhang 說。

"我們最初認為，我們所獲得的最佳結果，就是二種方法的總和，而且我們還有可能出差錯，讓事情變得更糟。不過，令人驚訝地，這些材料更棒。"

這個小組的發現在 1/4 的 Journal of Physical Chemistry 線上版中發表。第一作者是 Tzarara Lopez-Luke，參訪 Zheng 實驗室的畢業生，他現在就讀墨西哥 UMSNH 的 Instituto de Investigaciones Metalurgicas。

Zhang 的團隊利用一堆工具描繪這種新奈米複合材料的特徵，包括 AFM、TEM、Raman 光譜與光電化學技術。他們準備厚度在 150 - 1100 奈米之間的薄膜，具有平均大小在 100 奈米的二氧化鈦粒子。他們將二氧化鈦晶格摻入氮原子。為了這種薄膜，他們在化學上連接由硒化鎘（cadmium selenide）所製成的量子點以進行敏化。

所產生的混合材料提供了一個平均的結合體。氮的摻入允許此材料吸收更廣範圍光能，包括來自於電磁光譜可見區域的能量。量子點亦增強可見光的吸收，並提升光電流與材料的轉換功率。

當與只摻有氮或只結合硒化鎘量子點的材料相較，奈米材料展現出更高的效能，一如該團隊所報告的 IPCE 測量值。奈米複合物的 IPCE（光電轉換效率）值要比其他二種個別材料的 IPCE 值總和要多出 3 倍，Zhang 說。

"我們想那所發生的是，它讓電荷更能輕易地在材料四周跳躍，" 他解釋。"如果你同時有量子點的敏化與氮的摻入，這件事才會發生。"

奈米複合材料不只能用於增強太陽能電池，還能夠當成其他能源技術的一部份。Zhang 的長期目標之一是將高效能太陽能電池與先進的光電化學（photoelectrochemical）電池結合在一起。這種裝置，在理論上利用日光所產生的能量將水分離並產生氫燃料。奈米複合材料對於將二氧化碳轉換成碳氫燃料，如甲烷，的裝置可能也會有用。

這個改造太陽能電池的新策略，為 Zhang 實驗室未來數年的探索，提供了一個大有可為的途徑。

"我相當興奮，因為這項研究只是初步研究，而且還有許多我們現在就能做的最佳化，" Zhang 提到。"我們有三種材料 -- 或三種參數 -- 讓我們玩，讓能量水準變得正確。"

事實上，該團隊已經在嘗試操縱這些材料，自由電子能很容易地從某一能階移動到另一個 -- 或是在不同材料之間跳躍 -- 並有效地將其轉換成電流。

"我們正在做的基本上是「能隙工程（band-gap engineering）」我們就是在操縱奈米複合材料的能階，讓電子更有效率的運作以產生電流，" Zhang 說。"如果我們的模式正確，我們能以這種策略做出好案子來。"

※ 相關報導：

＊ Nitrogen-Doped and CdSe Quantum-Dot-Sensitized Nanocrystalline TiO2 Films for Solar Energy Conversion Applications
http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/jpccck/asap/abs/jp077345p.html

Tzarara Lopez-Luke, Abraham Wolcott, Li-ping Xu, Shaowei Chen,
Zhenhai Wen, Jinghong Li, Elder De La Rosa, and Jin Z. Zhang
Phys. Chem. C, ASAP Article, Web Release Date: January 4, 2008
doi: 10.1021/jp077345p
S1932-7447(07)07345-1