NREL研发量子点太阳能电池，多激子效应使外量子效率超过100%

据报道，美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员今年年初宣布采用量子点材料制造出了外量子效率(EQE)超过100%的太阳电池，从而证实了多激子产生(Multiple Exciton Generation，MEG)效应对未来高效太阳能电池研究的意义。


NREL的测试结构包括抗反射镀膜玻璃、透明导电层，纳米结构氧化锌层和经过乙二硫醇和肼处理的硒化铅量子点层。这项研究是量子点太阳电池的外量子效率首次突破100%。由于未经优化，电池转换效率仅达到4.5%。虽然效率相对较低，但在该太阳电池光电流中展示了多激子的生成仍然具有重要意义，这一结果为提高太阳电池效率开辟了一条新的路径。

外量子效率为指单位时间内从太阳电池产生的电子数量与单位时间内照射在太阳电池表面光子数量的比值。NREL的电池对能量3.5eV的光子外量子效率为114%。量子效率超过100%，意味着太阳电池吸收单个高能光子，会产生多个激子，即所谓的多激子产生效应。在传统晶硅太阳能电池中，高能光子高于半导体材料带隙的能量部分将以热量(声子)的形式散失，这是限制传统电池理论效率的主要因素之一。量子点材料可以将载流子限制在其微小体积内，通过产生多个激子，充分利用高能光子的能量，从而大大提高效率，将光子转化为更多电能。

目前国内研究机构也开始了对多激子产生的研究，南京大学微纳光学与超快光学实验室申请国家自然科学基金项目“半导体纳米材料的多激子产生研究”获90万元资助，而台湾大学严庆龄工业研究中心也在进行多激子效应量子点高分子太阳能电池的研究。此外，中国科学院半导体研究所材料科学中心的曾一平研究员和武汉光电国家实验室(筹)的唐江教授也分别就此问题发表过综述文章。