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胶体量子点 提高太阳能电池效率

   2011-08-11 18720
核心提示:梯度复合层新技术可以连接正面和背面的电池,基本上没有性能损失,通过一系列材料,逐渐把正面电池的活性转移到背面电池中。胶体半导体
梯度复合层新技术可以连接正面和背面的电池,基本上没有性能损失,通过一系列材料,逐渐把正面电池的活性转移到背面电池中。

胶体半导体纳米晶体用紫外线照射。量子限制(Quantum confinement)效应导致带隙能量随纳米晶体的大小而变化。每个试管内都有一个分散在液体溶剂中的单分散(monodisperse)纳米晶样品。来源:多伦多大学

竞相取得越来越高的光电转换率,可以这么说,是一个热点研究领域。一种研究是集中在量子点,就是直径2-10纳米(约10-50原子)的半导体纳米晶体,在其中,电子的运动在所有三个维度都受到限制,这种量子点是纳米太阳能电池技术的基本要素。

纳米粒子有时被称为人造原子,它的组成成分有镉,锌,硒,碲,硫等化合物,纳米粒子是如此微妙,以致于添加或去除一个电子,都代表着显着的变化,这个属性,使它们不仅适合用作先进的太阳能电池元件,而且适合用于固态照明,医疗传感器和其他领域。

尤其是,胶体量子点(CQDs:colloidal quantum dots)是由一种三组分系统合成,这三个组分是前体、机表面活性剂和溶剂,这种量子点可通过改变大小来进行调整,这就可以在光伏结构中,根据需要调整频谱响应。最近,多伦多大学(University of Toronto)的电气和计算机工程系的研究人员,展示了第一款胶体量子点串联太阳能电池(CQD tandem solar cells :一系列连接的太阳能电池,在其中增加更多的设备,可以优化每个设备,以较窄的频谱,实现较高的整体效率),他们使用尺寸效应,调整单一的胶体量子点材料硫化铅(lead(II) sulfide-PbS)。他们能够调整胶体量子点薄膜,使串联和多结太阳能电池(通过结合不同大小的胶体量子点来制造)都提高了太阳能电池转换率的限度,从目前的31%分别提高到42%和49%。

这项研究的领导是多伦多大学的爱德华H•萨金特(Edward H. Sargent)教授,他和其他研究人员一起,克服了以前胶体量子点光伏研究遇到的困难,这个困难就是缺少一个关键的部分:结合处,也就是电池正面和背面之间的连接点。“我们的论文之前,”萨金特说,“未曾有人报道过,胶体量子点太阳能电池可以使正面电流电池,或可见光波长带隙(visible-wavelength-bandgap)电池,有效匹配背面红外带隙(infrared-bandgap)电池,并可以成功地计算每个电池的电压。我们开发出一种新技术,称为梯度复合层(Graded Recombination Layer),可以连接正面和背面的电池,基本上没有性能损失,通过一系列材料,逐渐把正面电池的活性转移到背面电池中。”

关键是,堆叠的材料是高度透明的,因此被证明非常有效,可以制成第一款高效率的胶体量子点串联电池。萨金特补充说,在这一点上,“胶体量子点光伏主要的先进需要,是在胶体量子点层自身内部来改善传输。这将同样有利于单结和多结太阳能电池。”

在应用方面,萨金特指出,“一旦我们超过10%的太阳能转换效率(今天,胶体量子点光伏的最好的报道是5.6%,所以我们仍然有很长的路要走),我们就可以低成本制造柔性,大面积的太阳能电池。具体来说,我们的目标效率结合低成本的材料和制造,可以显著改善每瓦峰值的整体安装成本。”

 
量子点中3D限制的电子波函数(electron wave functions)。这里显示的是矩形和三角形量子点。矩形量子点中的能量状态更像“s-型”和“p-型”。然而,在三角形量子点中,波函数因限制性对称而混合。来源:多伦多大学

那么,由此推论,胶体量子点光电可以进行重大缩放。“即使在研发实验室,”萨金特指出,“我们也合成了足够的胶体量子点,每次都要用完整的吸光材料覆盖一平方米的表面。工作中仍需要做的,是开发最终的薄膜处理方法,要兼容大面积的卷对卷加工。”

萨金特注意到,这与斯坦福大学(Stanford University)的光子增强热电子发射(PETE:Photon Enhanced Thermionic Emission)研究有一些重叠。光子增强热电子发射提高了热电子装置(把热转换为电能)的能量转换效率,这种装置被用作太阳能光热系统的一流循环,从而有可能使光电转换率增加一倍。“我们方法的共同点,是把频谱分裂成两个组成部分,就是高能可见光和较低能量但属于富光子积分通量(abundant-photon-fluence)或电通量的红外光。这就是说,”他强调,“也有重要的差异:我们的方法不需要光学聚集,而光子增强热电子发射就需要。此外,我们的装置在典型的环境温度下效果最好;而光子增强热电子发射要求阴极运行在600 - 800℃。”

萨金特看到,小组研究的下一步是“集中加强胶体量子点薄膜内的电子和空穴传输,目标是制成可低温加工的柔性低成本太阳能电池,要超过10%的太阳能电池转换效率。”

更多信息:《串联胶体量子点太阳能电池采用分级复合层》(Tandem colloidal quantum dot solar cells employing a graded recombination layer),《自然光子学》(Nature Photonics)
http://10.1038/nphoton.2011.123

 
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