基于点和线的新型太阳能电池设计

基于点和线的新型太阳能电池设计
电子显微镜图像显示了氧化锌纳米线阵列（顶部）和由纳米线制成的光伏电池的横截面，其中散布着由硫化铅制成的量子点（暗区）。 顶部的一层金（亮带）和底部的一层氧化铟锡（较亮的区域）形成了太阳能电池的两个电极。
标题:扫描电子显微镜图像显示了氧化锌纳米线阵列（顶部）和由纳米线制成的光伏电池的横截面，其中散布着由硫化铅制成的量子点（暗区）。顶部的一层金（亮带）和底部的一层氧化铟锡（较亮的区域）形成了太阳能电池的两个电极。
学分:图片由 Jean 等人/<i>Advanced Materials</i> 提供
使用称为量子点的奇异粒子作为光伏电池的基础并不是一个新想法，但制造此类设备的尝试尚未在将太阳光转化为电能方面取得足够高的效率。麻省理工学院的一组研究人员添加了一个新的皱纹——将量子点嵌入纳米线森林中——有望提供显着的推动力。

基于微小胶体量子点的光伏 (PV) 与其他制造太阳能电池的方法相比具有几个潜在优势：它们可以在室温过程中制造，节省能源并避免与硅和其他光伏材料的高温处理相关的并发症. 它们可以由丰富、廉价的材料制成，不需要像硅那样进行大量纯化。而且它们可以应用于各种廉价甚至柔性的基材，例如轻质塑料。

但设计此类设备需要权衡取舍，因为有效 PV 有两个相互矛盾的需求：太阳能电池的吸收层需要很薄，以允许电荷从太阳能被吸收的位置容易地传递到将电流带走的电线 -但它也需要足够厚才能有效吸收光。麻省理工学院电气工程与计算机科学系 (EECS) 的博士生 Joel Jean 说，其中一个领域的表现提高往往会使另一个领域的表现恶化。

“你需要一层厚膜来吸收光，又需要一层薄膜来释放电荷，”他说。“所以存在巨大的差异。”

Jean 说，这就是添加氧化锌纳米线可以发挥有用作用的地方，他是一篇即将发表的论文的主要作者在《先进材料》杂志上。该论文由化学教授 Moungi Bawendi、材料科学与工程教授 Silvija Gradečak、EECS 教授 Vladimir Bulović 以及其他三名研究生和一名博士后共同撰写。

这些纳米线的导电性足以轻松提取电荷，但又足够长以提供光吸收所需的深度，Jean 说。使用自下而上的生长过程来生长这些纳米线并用硫化铅量子点渗透它们可以使太阳能电池产生的电流提高 50%，并使整体效率提高 35%，Jean 说。这个过程产生了这些纳米线的垂直阵列，这些纳米线对可见光是透明的，散布着量子点。

“如果你沿着纳米线的长度发光，你就会得到深度的优势，”他说。而且，“你解耦了光吸收和载流子提取，因为电子可以侧向跳跃到附近的纳米线上并被收集起来。”

Jean 说，基于量子点的 PV 的一个优点是它们可以被调整为吸收比传统设备更宽的波长范围的光。他说，这是一个原理的早期证明，通过进一步优化和改进物理理解，可能会导致实用、廉价的新型光伏设备。

没有参与这项研究的南加州大学化学教授马克汤普森说，“麻省理工学院的团队取得了真正的进步。” 他说，虽然其他团队尝试了类似的方法，但麻省理工学院的团队能够更好地控制纳米线的尺寸和密度。“这需要仔细和深思熟虑的研究，结果不言自明。我怀疑这只是开始，随着他们继续改进流程，我们将看到更高的效率。”

他说，测试设备已经产生了将近 5% 的效率，这是迄今为止报道的基于氧化锌的量子点 PV 的最高效率。Jean 说，随着进一步的发展，有可能将设备的整体效率提高到 10% 以上，这被广泛认为是商业上可行的太阳能电池的最低效率。进一步的研究将探索使用更长的纳米线来制造更厚的薄膜，并致力于更好地控制纳米线的间距以改善它们之间量子点的渗透。