改善太阳能电池，让纳米晶体不只产生一个电子

洛斯阿拉摩斯(Los Alamos)实验室，一个由威克多 克里莫夫(Victor Klimov)带领的研究员团队展示载子倍增(carrier multiplication)现象-一个光子产生多个电子-这是一个在极微小的半导体晶体中的真实现象而非外在的影响产生拟载子倍增的错误观察。这个结果在最近发布的化学研究报告(Accounts of Chemical Research)中提到，这将有机会改善太阳能电池，让一个光子不止产生一个单位的能量。问题是如何利用这个现象让太阳能电池产生的电力可以增加，美国洛斯阿拉摩斯国家实验室的研究员利用极微小的半导体颗粒完成这项实验。

当一个常见的太阳能电池吸收光线中的光子，产生的电子便会形成电流，过多的能量则会使材料晶格中的原子产生震荡也就是所谓的声子(phonons)，最后以热的方式逸施，经由载子倍增则可以使过多的能量转换到材料晶格中其它的电子而产生电流，因此获得更有效率的电池。克里莫夫与他的同僚，展示了半导体的纳米晶体在吸收一个光子后产生不止一个电子，有一部分是因为材料的纳米尺寸效应，增加了电子之间的相互作用并且局限于晶体之中。

在2004年洛斯阿拉摩斯的研究员李察 夏勒(Richard Schaller)与克里莫夫第一次发表他们的观察，利用硒化铅(lead selenide)的纳米晶体在吸收一个光子之后产生强烈的载子倍增现象并产生两对的电子-空穴对，一年后，阿瑟 诺席克(Arthur Nozik)与其它美国再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)的工作伙伴重现这个实验结果。最后由光谱的结果显示，载子倍增现象可以在各种不同的纳米晶体中被观察到，包括硅。

最近，有关载子倍增的研究发生了一些争论，他们发现与之前结果相反，特别是一些较低或被忽略的载子倍增效率，为了找出这些分歧，洛斯阿拉摩斯的研究员将之前的实验结果延伸，在多种不同的样品中调整侦测的技术以及模拟载子倍增的光谱。一个特殊的侦测的确会影响最后的结果，克里莫夫团队中的博士后研究员约翰 麦奎尔(John McGuire)利用两种不同的光谱仪来调查载子倍增-瞬间吸收(transient absorption)与时间解析光激荧光(time-resolved photo- luminescence)，这两种方法皆获得一致的结果，利用不同的侦测技术是无法解释强光下所产生的不一致，尽管这些量测显现了样品间不同的载子倍增产率，但这些变化是非常小的。

排除了这两个造成分歧的潜在原因，研究员专著于纳米晶体的拟载子倍增的现象，其中之一便是光致电离(photoionization)。”当纳米晶体吸收了一个高能量的光子，电子可获得足够的能量脱离这个材料。”克里莫夫解释“因此形成一个带电的纳米晶体，它包含一个正电的空穴，此时第二个光子经由光致发电产生另一个电子，并产生第二个空穴。”为了证实是光致电离的影响，洛斯阿拉摩斯的研究员设计了一个接续的实验，静置然后搅拌纳米晶体的溶液，然后移除已量测过的带电纳米粒子，因此当晶体受光影响，搅拌可以消除带电的纳米晶体吸收第二个光子的能量。当搅拌有些样品仍无法影响量测的结果，证实搅拌确实可以消除因光致电离产生的差异，因为之前的量测皆为静置的测试。

洛斯阿拉摩斯的研究员重新为载子倍增产率下批注，当光致电离被压制时，所有的结果是肯定的。当量测电子的产率比之前要低时，载子倍增产率仍然远大于块材，因此要产生多个电子，就必须使用纳米晶体。这些结果证实纳米尺度的晶体确实可以有效的利用太阳光。克里莫夫最后提到“研究员仍有许多工作要做，一个重要的挑战在于如何设计一个材料可以产生多余的电子，突破半导体能阶的限制，使原本的转换效率由31%提升至超过40%。”（编辑：于占涛）