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晶体硅太阳能电池能量转换效率的极限约为30％。因此，日本正在把新一代太阳能电池的研发作为国家项目进行推进。其中，被视为终极太阳能电池的是“量子点太阳能电池”。
近来，关于量子点太阳能电池已有新的研究成果。东京大学纳米量子信息电子研究机构主任荒川泰彦教授与夏普的研究组证实，量子点太阳能电池能量转换效率上限为75％以上，推翻了此前公认的63％的说法。
随着对可再生能源期待的高涨，日本已经把新一代太阳能电池的研发作为了国家项目教学推进。其中，被视为终极太阳能电池的是“量子点太阳能电池”。
其理由是能量转换效率高。目前，常见的晶体硅太阳能电池的能量转换效率上限约为30％。而量子点太阳能电池有望达到其2倍以上。
因此，为实现量子点太阳能电池的实用化，全球众多研究者都在加快研发速度。
用于封闭电子的极小微粒
在这种情况下，对量子点太阳能电池有了新的发现。此前普遍认为其能量转换效率上限为63％，但2011年4月，东京大学纳米量子信息电子研究机构主任荒川泰彦教授与夏普的研究组证实，根据理论计算，其效率能够达到75％以上。
“量子点”原本就是荒川教授于1982年在全球率先提出的概念，是指为封闭电子而形成的极小颗粒（点）。1个量子点的直径从几纳米（纳米为10亿分之1）到几十纳米不等，由大约1万个原子构成。
把量子点镶嵌在太阳能电池板的半导体薄膜中，就能够大幅提高能量转换效率。
太阳能电池利用“带隙”把太阳的光能转换成电能。带隙是指半导体中“价带”与“导带”的能量差，其数值因半导体的种类而异。
由硅等半导体制成的太阳能电池板在受到光线照射后，低能级p型半导体“价带”中的电子将吸收光能，向高能级n型半导体的“导带”移动。此时产生的电压差就作为电力输出。
在阳光之中，从长波长的红外线到短波长的紫外线，包含的光线波长各异。光的能量因波长而异，波长越短的光线能量越大。
对于晶体硅太阳能电池，长波长的红外线光能过低，因此，价带中的电子无法跃迁到导带。也就是说，红外线不转换为电能。
那么，通过缩小带隙，使红外线也能够使价带中的电子跃迁至导带的方法或许可行，但实际情况并非如此。如果缩小带隙，电压也将随之降低，因此无法得到足够的电力。
而且，能够作为电力输出的能量仅限于带隙部分。在照射能量高于带隙的紫外线时，其差值将以热量的形式逸散。也就是说，越缩小带隙，转换效率越低。
这就是晶体硅太阳能电池的能量转换效率上限停滞在30％的原因。既然物理性质决定了带隙，这也是无可奈何的事情。为此，研究人员们想出了很多避开这种物理限制的方法。其中的终极方法便是使用量子点。
利用“量子隧道效应”
那么，为什么只是把量子点镶嵌在半导体薄膜中，就能够大幅提高能量转换效率呢？
理由在于量子点与量子点之间发生的“量子隧道效应”。
在我们居住的世界中，当面前有一堵墙的时候，要想把球抛到墙的另一面，就需要使抛球高度超过墙壁。但是，在微米（微为100万分之1）和纳米规模的量子力学的世界中，即使抛球的高度低于墙壁，也有办法把球抛到墙壁的另一边。也就像是墙上存在隧道一般，因此叫做量子隧道效应。
在半导体薄膜上以数纳米的间隔规则排列着量子点，那么量子点之间就会发生这种现象。而且，如果尺寸为纳米规模，量子点中封闭的电子就会拥有分散的能量值，这称为“能级”。
因此，当量子隧道效应在存在能级的地方发生时，其表现就像是在价带与导带的带隙中间形成了“迷你带”一般。
如果形成迷你带，电子就能够吸收长波长的光线，跃迁到迷你带。跃迁到迷你带的电子可以再吸收其他光线，继续跃迁至更高的能带。这样就也能够吸收此前晶体硅太阳能电池未能利用的长波长光线。
也就是说，量子点太阳能电池能够通过使用量子点在带隙之间形成迷你带，吸收更多的波长光线，从而提高能量转换效率。
关于量子点太阳能电池，研究者们多年来一直相信一个定论。那就是西班牙马德里理工大学教授1997年发表的“量子点太阳能电池的理论能量转换效率上限为63％”。
就指出能量转换效率上限能够提高到晶体硅太阳能电池的2倍以上而言，这项发表意义深远，这也是量子点太阳能电池被称之为“终极太阳能电池”的由来。
但提出量子点的荒川教授对此却抱有疑问。
荒川教授回顾道：“探讨约63％的数值是否真的是上限是我们开展研究的出发点。”
马德里理工大学的教授把量子点形成的迷你带的数量假设为一。而荒川教授认为，通过控制量子点的大小和形状，或许能够形成多条迷你带。如果能够实现，能量转换效率还将进一步提升。
荒川教授解释说：“例如，管乐器在调整大小，把音的波长缩小到一半后，可以吹奏出高一个八度的音符。而电子具有波的性质，因此我想到，与管乐器一样，通过改变量子点的大小和形状，或许可以自由控制电子的能级。”
经过反复研究，进行理论计算和计算机模拟的结果证实，通过控制量子点的大小、形状和位置等条件，能够形成多条迷你带。
荒川教授说：“研究结果显示，形成4条迷你带时，能量转换效率能够达到75％。上限预计为80％。”
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