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加拿大研究人員最近首度直接量測到膠體量子點(colloidal quantum dot, CQD)薄膜內電荷載子的擴散長度(diffusion length)。此研究將有助於改良這類重要的科技材料，並讓科學家更瞭解一般量子點中的電荷傳輸。
能量等於或大於光伏材料能隙的光子能激發電荷載子，進而產生電能。CQD能吸收大範圍頻譜的光子，原因是透過濕式化學合成製程能調整量子點的大小，而顆粒尺寸決定了量子點的能隙。相形之下，塊材半導體無法如此大幅改變其能隙。這項優點意味著CQD很適合用來製作多接面太陽電池，以追求最大的功率轉換效率(power conversion efficiency)。
目前探討CQD在太陽電池應用的論文不多，其中最常見的材料為鉛或鎘相關晶體。電荷載子在這些化合物中的擴散長度通常不大，亦即載子在復合前無法前進很遠。這點不利於太陽電池，因為光產生的電子與電洞必須在重新結合前被元件收集，方能產出有用的電流。
為了瞭解CQD內的電荷傳輸，研究人員一直試圖測量這些材料中的載子擴散長度。然而，先前大多數的技術屬於間接量測，例如結合在場效電晶體結構中測得的載子遷移率及另外測得的載子生命期，可估算出材料的擴散長度，但這類技術得到的數值經常大幅偏高。
最近，多倫多大學的Edward Sargent研究團隊提出兩套能直接測量CQD內擴散長度的新方法。他們採用所謂的「施體-受體」策略(donor-acceptor scheme)，在此結構中載子傾向從能隙較大的CQD層(施體)移動至鄰近能隙較小的層(受體)，最後復合產生明亮的光致發光(photoluminescence, PL)。
第一種方法是將受體薄膜覆蓋在厚度可變化的施體層上，改變施體厚度並量測來自受體層的光致發光訊號，直接計算出材料的擴散長度。第二種方法則是採用施體與受體的複合結構，受體CQD均勻地混入施體基質內，在此結構中研究人員可把擴散長度分解成載子遷移率及生命期兩部分。這兩種方法皆成功測量到硫化鉛量子點的擴散長度達80 nm。
Sargent認為這些新技術能快速、簡單地量測CQD的擴散長度，而無須事先製作完整的光伏元件。該團隊目前計畫設法優化決定擴散長度的關鍵參數(如載子生命期等)，最終目的是要提升CQD光伏元件的效率。詳見ACS Nano | DOI: 10.1021/nn402197a。 |