http://www.physorg.com/news124111555.html
March 07, 2008
By Lisa Zyga
研究者首次創造出以不同尺寸量子點所製成的太陽能電池，每種都對應至特定波長的光線。將這些量子點以有條理的樣式排列，科學家希望他們有朝一日能製造出「彩虹」太陽能電池，那能夠有效率地採收日光中大部分有用的光譜。來自於 Notre Dame 大學的研究小組，Anusorn Kongkanand、Kevin Tvrdy、Kensuke Takechi、Masaru Kuno 與 Prashant Kamat，將他們的結果發表在最近一期 Journal of the American Chemical Society 上。他們的研究是由美國能源部基礎能源科學辦公室所資助。
與其他吸光材料相較，利用量子點來吸收光線具有一種獨特的優勢："尺寸量子化效應（size quantization effect）" 藉由改變微小半導體量子點的大小，研究者可以調整太陽能電池，使其吸收某種波長的光。較小的量子點吸收波長較短的光，而較大的量子點則吸收波長較長的。
相較於其他以大塊半導體製成的太陽能電池，藉由在一個太陽能電池上結合不同尺寸的量子點，研究者所創造出的太陽能電池能吸收更多光線，也因此能以更好的效率傳遞電力。
在 Notre Dame 的研究中，科學家將硒化鎘（CdSe）量子點裝在單層奈米薄膜以及二氧化鈦（TiO2）所製成的管狀物的表面。在吸收光線後，量子點將電子注入二氧化鈦結構中，接著由導電電極所收集，那能產生光電流。
"將 CdSe 量子點固定在 TiO2 奈米管上，讓我們能夠創造出一種有秩序的奈米結構集合，" Kamat 表示。"這種結構促進了將電子運送到匯集電極表面的效率，並讓我們能達成效率上的改進。"
研究者使用 4 種不同大小的量子點（直徑介於 2.3 到 3.7 奈米之間），能在不同的波長（介於 505 到 580 奈米之間）中展現出吸收峰值。該小組觀察到與量子點尺寸相符的交換效能：較小量子點將光子轉換成電子的速度比較大量子點來得快，不過較大量子點所吸收的光子百分比比較小量子點多。 3 奈米的量子點提供最佳的折衷辦法，不過研究者計畫要在未來的原型中同時改善轉換與吸收效能。
除了調查量子點的尺寸量子化效應之外，研究者也以二種不同的奈米構造來進行實驗 -- 粒子薄膜與奈米管 -- 那作為將電子從量子點運送到電極的支架。該小組發現，中空的、8000 奈米長的奈米管，那在管壁內、外側都可使用量子點，傳送電子的效率比薄膜來得高。
在開發出第一個具有多重尺寸量子點的太陽能電池後，研究者計畫進行下一步驟，並設計彩虹太陽能電池，那能夠包含不同尺寸的量子點，以整齊的風格裝配。小量子點在太陽能電池的外緣吸收藍光，波長較長的紅光，則穿越外層，不過仍被內層較大的量子點所吸收。這種 "彩虹" 梯度，能夠結合小量子點更快速的電子注射率及大量子點較大的吸收範圍，並終將導致高效率太陽能電池的出現。
"通常，基於矽的太陽能電池面板以 15-20% 的效率在運作，" Kamat 說。"矽太陽能電池不問光子的能量，每個入射光子都只產生一個電子--電洞對。"
因此，能量較高的藍光通常以熱的形態被浪費掉。很明顯的問題是，奈米技術能提供新方法，以更有效率的方式來收穫這些能量更高的光子嗎？
"半導體量子點看來是種答案。以高能光線刺激時，它們有能力製造出多重電荷載體。如果我們能成功捕捉這些帶電載體，我們能預期有顯著地高效率。目標是利用量子點彩虹太陽能電池達到比 30% 還要大的效率值。"
為了達到這種效率，Kamat 解釋這裡有二項主要的挑戰。首先，是組織光收穫奈米結構，讓它們能在可見光與近紅外光範圍內吸收光線，並在薄膜內傳遞電子。其次，量子點應當產生多重電荷載體，以被捕獲來產生光電流。
"奈米科技中的新進展是成功開發高效能與具成本效益之太陽能電池的關鍵，" 他說。
當然，屋主可將太陽能電池裝到屋頂上。不過如 Notre Dame 研究者所建議的，彩虹太陽能電池也能夠用來開發有顏色的窗戶，只要改變量子點的大小就能調整其顏色。正如同屋頂上的電池一樣，玻璃中的量子點能吸收光線，接著能轉換成電力。
※ 相關報導：
＊ Quantum Dot Solar Cells. Tuning Photoresponse through Size and Shape Control of CdSe-TiO2 Architecture
http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/jacsat/asap/abs/ja0782706.html
Anusorn Kongkanand, Kevin Tvrdy, Kensuke Takechi, Masaru Kuno,＊ 「矽」燈泡 v.s.「螢光」燈泡
and Prashant V. Kamat
J. Am. Chem. Soc., ASAP Article,
Web Release Date: March 1, 2008
doi: 10.1021/ja0782706
S0002-7863(07)08270-4
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6 則留言:
文中提到一段"較大量子點所吸收的光子百分比比較小量子點多" 怎麼想都想不透，難道是因為表面積的關係嗎?
維基百科在 量子點的光學特性 中提到 Quantitatively speaking, the bandgap energy that determines the energy (and hence color) of the fluorescent light is inversely proportional to the size of the quantum dot. Larger quantum dots have more energy levels which are also more closely spaced. This allows the quantum dot to absorb photons containing less energy, i.e., those closer to the red end of the spectrum.
量子點性質介於原子與塊材（bulk）之間，一方面它像大型的半導體塊材，只要超過門檻的光子都能吸收，另一方面，量子點發出的光波波長會隨量子點尺寸而變化，尺寸變小，能隙變大，能隙大，發光能量愈大，波長也就愈短。
下面那一段的量子侷限效應也提到：The energy level can then be modeled using particle in a box, which leads to the conclusion that the energy levels of the quantum dot is dependent on its size. When the size of the quantum dot is smaller than the critical characteristic length called the Exciton Bohr radius（激子波耳半徑）, the electrons crowding lead to the splitting of the original energy levels into smaller ones with smaller gaps between each successive level. 所以量子點的尺寸會影響 energy band 寬窄。
謝謝你，因為剛接觸這一塊，覺得蠻有趣的，但是有些觀念還是很模糊
你好，關於size越小，電子遞越快有一點疑惑。文中說size越小，CB越負，傳遞越快，但是，不是能階越接近越容易傳遞嗎? 謝謝
你好，參考下面這一段圖片應該會比較容易理解：
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_dot#Quantum_confinement_in_semiconductors
當量子點小於 Exciton Bohr radius （導電帶電子與價電帶電洞的平均距離）時，擁擠的電子會因為 Pauli's exclusion principle 導致原本的 energy levels 分離密集而「蓬鬆」的小 levels 導致電子容易跑到 CB。
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