加拿大多倫多大學及中國清華大學的研究人員，最近成功利用N型膠體量子點(Colloidal Quantum Dot)墨水製作出轉換效率為6%太陽電池，這是現今油墨式膠體量子點太陽電池的最高紀錄。 膠體量子點是數奈米大小的半導體粒子，可以在溶液中合成，這意味著可以像處理油漆或油墨一般，將粒子快速簡單地沉r積在大面積的可撓式或硬性基板上。 在低成本和高轉換效率的無機太陽電池中，膠體量子點負責吸收光的任務。在太陽能電池中，光子撞擊光伏材料會產生電荷載子，其能量等於或大於材料的能隙(bandgap)。採用量子點的好觸是藉由調整奈米粒子的大小，可以大幅度的改變能隙大小，達到吸收寬光譜波長範圍的目的。 由多倫多大學的Ted Sargent所領導的研究團隊最近製作出目前最佳的膠體量子點油墨，其靈感來自芝加哥大學Dmitri Talapin的研究團隊證明無機陰離子可以穩定膠體量子點，因此他們直接將鹵化物(Halides)加到膠體量子點中使其鈍化(passive)。這些配體(ligand)除了能移除不要的深層電子陷阱，以提升太陽能電池元件的轉換效率，還能保護元件避免氧化。 研究人員藉由兩相溶液中的配體交換機制，製作膠體量子點油墨。製造方式主要是將含有辛烷(Octane)膠體量子點的溶液，與含有碘化鹽(iodide salt)的二甲基甲酰胺(dimethylformamide)溶液混合。在混合過程中，原先的油酸配體會被碘化物的配體所取代。配體交換反應後的膠體量子點會再次分散在正丁胺(Butylamine)溶劑中，讓它們可以適用在基板上。 研究人員Zhijun Ning指處，這種薄膜太陽電池可透過單步驟溶液製程簡單完成，也不需要在基板上做配體交換，或採用傳統逐層製膜方式。逐層製膜既費時又不經濟，因為只有大約1-10%的量子點可被容納進最後的薄膜中。 Ning提到，這項技術可為印刷式水溶液製程膠體量子點太陽電池元件鋪路，除了可以顯著降低元件製作難度及成本外，還可以提升膠體量子點太陽電池、發光二極體和光偵測器元件的轉換效率。 Ning表示，他們以密度泛涵理論(Density function theory)模擬膠體量子點和溶劑間的交互作用，從中發現有機相對離子和溶劑間的連結，是維持電荷在膠體量子點表面和避免量子點聚集的關鍵。該團隊正忙於優化元件結構，以製作出轉換效率更高的太陽電池。詳見ACS Nano | DOI: 10.1021/nn503569p。 |