光伏材料新秀─膠態磷化鋅奈米微晶

加拿大研究人員首次成功合成膠態磷化鋅(colloidal zinc phosphide, Zn₃P₂)半導奈米微晶。磷化鋅是具有直接能隙的半導體，是倍受看好的光伏材料之一，一旦能以簡單便宜的方式製作，將有助於實現高效能太陽電池的量產。

Zn₃P₂具有1.5 eV寬的直接能隙，可以吸收太陽光譜中大部份波段的光，並且能有效地轉換成電流。此外，鋅與磷在地殼中的含量豐富，這意味著它們的價格低廉，而且這些元素不具毒性。先前的研究中已經有人曾利用磷化鋅塊材製作高效太陽能電池，但是製程需要超過850°C的高溫環境，或是使用複雜的真空鍍膜技術。

最近，加拿大亞伯達(Alberta)大學 Jillian Buriak研究團隊研發出一種磷化鋅墨水，可望以其為基礎開發出一種簡單經濟方式來量產太陽能電池，譬如使用狹縫式塗佈(slot-die coating)或噴霧塗佈(spray coating)技術。

研究人員首先在100°C下混合溶劑1-octadene與作為磷來源的三辛基氧化磷(tri-n-octylphosphine)，接著加熱至320°C時注入做為鋅來源的二甲基鋅(dimethylzinc)。最後將溶液攪拌數個小時，便能獲得Zn₃P₂奈米微粒。這些粒子呈現良好的結晶相，並具有α-Zn₃P₂結構，其圓形顆粒大小約為8 nm，且能強烈吸收陽光。此Zn₃P₂微晶的能隙較塊材寬了0.5 eV，可能是量子侷限效應(quantum confinement effect)所致。

在此實驗中，研究團隊還製作了異質接面元件(ITO/ZnO/Zn₃P₂/MoO₃/Ag)，其中ZnO與Zn₃P₂作為主動層。他們利用旋轉塗佈法逐層沉積Zn₃P₂，並將厚度控制在約16 nm。此方法能確保薄膜的均勻度，並且避免大範圍的缺陷產生。相較於其他奈米微粒半導體異質接面元件，他們的元件具有高光敏性，其開關比(on/off ratio)為100，如此結果可能是Zn₃P₂吸光後產生電荷的供獻。該元件同時具有良好的整流性質，整流比為600，這或許與ZnO和Zn₃P₂層間的能量偏移(energy offset)有關，而整流能力為製作高效太陽能電池不可或缺之特性。

該團隊目前計畫採用此Zn₃P₂材料實際製作奈米微晶太陽能電池。此外，他們亦著手研發新的材料合成方法，以改善Zn₃P₂的表面特性與電荷傳輸性質，同時並探討其他電子受體材料。詳見ACS Nano｜DOI: 10.1021/nn4034234。