新纳米结构薄膜展现高效转换太阳能前景

在一场让太阳能电池更廉价和更高效的竞赛中，许多科学家和起步阶段的公司正在把希望放在利用纳米结构的新设计上。纳米结构材料是在十亿分之一米的尺度上制造的材料。利用纳米技术，科学家可以测试和控制一种材料如何产生、捕捉、转移和贮存自由电子——这些属性对于把阳光转换成电能非常重要。
 
两种制造太阳能电池材料的纳米技术方法已经显示出了特别的前景。一种方法使用金属氧化物纳米颗粒（例如二氧化钛）薄膜，掺入氮等其他元素。另一种策略利用可以强烈地吸收可见光的量子点——一类纳米尺寸的晶体。这些微小的半导体把电子注入到金属氧化物薄膜中，或者说把它“敏化”，从而增强太阳能转换。掺杂和量子点敏化都增强了金属氧化物材料对可见光的吸收。
 
加州大学圣克鲁兹分校的化学教授张金中说，把这两种方法结合起来看来可以比单独使用任何一种方法产生更好的太阳能电池材料。张金中领导的一个来自加州、墨西哥和中国的研究组制造出了一种掺氮并用量子点敏化的薄膜。在测试中，这种新的纳米复合材料的性能比预期的更好——似乎整个材料的功能大于两种单独成分之和。
 
“我们发现了一种新的策略，它可能对增强基于纳米材料的太阳能电池的光响应和转换效率非常有用，”张金中说。
 
“我们起初以为我们能实现的最好结果是达到两者之和，而且倘若我们没有弄对，我们可能得到更糟糕的结果。但是令人吃惊的是，这些材料远远更好。”
 
该研究组的发现于1月4日以论文的形式发表在了《物理化学杂志》的网站上。该论文的第一作者是Tzarara Lopez-Luke，她是张金中实验室的访问研究生，如今在墨西哥莫雷利亚的metalurgicas研究所（Instituto de Investigaciones metalurgicas, UMSNH）。
 
张金中的研究组用一大批工具描绘了这种新的纳米复合材料的特性，这包括原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM），拉曼光谱仪和光电化学技术。他们制备的膜的厚度在150纳米到1100纳米之间，二氧化钛粒子的平均尺寸是100纳米。他们用氮原子掺杂了二氧化钛晶格。他们把硒化镉制成的量子点用化学方式连接在了这种薄膜上，用于敏化。
 
制造出的复合材料提供了优势的联合。氮掺杂可以让这种材料吸收广泛的光能，包括电磁波谱中的可见光区域。量子点还能增强可见光吸收，并增加光电流和这种材料的能量转换。
 
这个研究组报告说，与仅掺杂了氮或者仅嵌入了硒化镉量子点的材料相比，这种纳米复合材料表现出了更高的“光电转化效率（IPCE）”的性能。张金中说，这种纳米复合材料的IPCE是其他两种材料的IPCE之和的3倍。
 
“我们认为原因在于电荷更容易在这种材料中跳跃，”他解释说。“只有在同时拥有量子点敏化和氮掺杂的情况下才会发生这种情况。”
 
这种纳米复合材料不仅可以用于增强光电池，还可以作为其他能源技术的一部分。张金中的长期目标之一就是让高效的太阳能电池与最先进的光电化学电池相结合。这样一种装置在理论上可能利用阳光产生的能量把水分解，从而生产出氢燃料（见早先的一份新闻稿 http://press.ucsc.edu/text.asp?pid=712）。这种纳米复合材料还可能有潜力用于把二氧化碳转化为碳氢燃料（例如甲烷）的装置。
 
这种制造太阳能电池材料的新策略为张金中的实验室提供了一条有前途的道路，在未来数年加以探索。
 
“我感到非常激动，因为这一研究是初步的，而且我们现在可以进行很多的优化，”张金中指出。“我们有三种材料——或者三种参数——可供调整，从而达到正确的能级。”
 
在本质上，这个研究组正在设法操纵材料，当阳光照在它们的上面的时候，从而让产生的自由电子可以轻易地从一个能级运动到另一个能级——或者在不同的材料间跳跃——并高效地转化成电流。
 
“我们正在研究的在本质上是‘能隙工程学’。我们操纵纳米复合材料的能级，从而让电子可以更高效地形成电流，“张金中说。“如果我们的模型是正确的，我们就为这类策略提供了一个好的例子。”（来源：Eurekalert!中文版）