美研發出高效光電轉換納米薄膜材料

    美國加州大學圣克魯茲分校張勁(音譯)教授領導的包括中國、美國和墨西哥三國研究人員之內的研究小組日前發表文章表示，他們成功研制出一種能高效率將太陽能轉換成電能的納米薄膜材料。該成果不僅能極大地提高太陽能電池光電轉化率，而且可以用于其他能源技術中。

    為開發高效且廉價的太陽能電池，近來利用納米結構的新材料成為重點研發方向。人們發現，兩種制造太陽能電池材料的納米技術方法顯示出了獨特的前景。一是將其他元素(如氮)摻雜于金屬氧化納米顆粒(例如二氧化鈦)形成的薄膜中;二是用能強吸收可見光的量子點(納米尺寸的晶體)向金屬氧化薄膜注入電子。摻雜和量子點利用的目的都是增強金屬氧化材料對可見光的吸收能力。

    張勁領導研究小組將上述兩種方法結合起來，獲得的太陽能電池材料的性能比單獨使用任何一種方法產生的都要好。在測試中，新的納米復合材料的性能大于兩種單獨成分之和。他表示：“我們起初以為能實現的最好結果是達到兩者之和。而且假如出現偏差，我們可能得到更糟糕的結果。但是令人吃驚的是，這些材料更為理想。”

    研究中，張勁他們借助高技術儀器來了解新的納米復合材料的特性，其中有原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜儀和光電化學技術。他們制作的二氧化鈦金屬膜的厚度在150納米至1100納米之間，二氧化鈦粒子的平均尺寸是100納米。他們將二氧化鈦晶格材料摻雜了氮原子，同時用化學方式將硒化鎘制成的量子點連接在其上，用于敏化。

    新的復合材料體現出了兩種技術聯合的優勢。氮摻雜讓新材料吸收廣泛的光能，包括電磁波譜中的可見光波段;量子點則增強可見光吸收，并增加光電轉換。與僅摻雜了氮或者僅嵌入了硒化鎘量子點的材料相比，新的納米復合材料表現出了更高的“光電轉化率(IPCE)”。張勁表示，這種納米復合材料的IPCE是其他兩種材料的IPCE之和的3倍。其原因是電荷更易于在同時擁有量子點敏化和氮摻雜的納米材料內跳躍。

    新的納米復合材料不僅可以用于改進太陽能電池，而且還可以作為其他能源技術的組成部分。張勁他們的長期目標之一就是讓高效的太陽能電池與最先進的光電化學電池相結合，這樣的裝置在理論上可能利用陽光產生的能量分解水生產氫燃料。此外，新的納米復合材料還可能有潛力用于把二氧化碳轉化為碳氫燃料(例如甲烷)的裝置。