加拿大與沙烏地阿拉伯的研究人員利用膠體量子點(colloidal quantum dot, CQD)薄膜，製作出轉換效率達7%的太陽電池。膠體量子點為奈米級的半導體微粒，它們可以在溶液中合成，因此不需繁雜步驟便能像油漆或墨水般快速沉積於大尺寸可撓式或硬式基板上。這項破紀錄的成果讓膠體量子點太陽電池的轉換效率提高40%。
膠體量子點可以在低成本、高轉換率的太陽電池中作為吸光層之用。在太陽電池中，高能光子照射於光伏材料上可以激發電荷載子(電子與電洞)，而利用膠體量子點作為光伏材料的優點之一，在於只需控制奈米微粒的尺寸，即可大幅調變能隙範圍，達到吸收光譜範圍更廣的目的。然而，膠體量子點的高表面-積體積比(surface-to-volume ratio)使得表面容易形成會捕捉電子的「陷阱」，造成電子電洞再結合機率的提升，導致膠體量子點太陽電池的轉換效率降低。
為克服上述困擾，由Edward Sargent領導的多倫多大學及阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)團隊在合成量子點溶液後，立即加入氯溶液以鈍化處理量子點薄膜的表面。Sargent解釋，選用氯溶液是因為氯原子夠小而能穿透到薄膜的角落和縫隙，進而包覆膠體量子點薄膜裸露的表面而改善薄膜品質。研究團隊將此膠體量子點溶液旋轉塗佈到鍍有透明導電膜的玻璃基板上，接著利用有機連結物(organic linker)將量子點束縛在一起，形成結構非常緻密且能吸收更多的陽光的奈米微粒薄膜。
電子能譜測量顯示薄膜表面幾乎已無任何電子陷阱，解析度達次奈米級的同步X光輻射散射實驗則證明這些薄膜非常緻密且包含緊密堆疊的奈米微粒。Sargent表示，現今市面上的太陽電池大多採用較重的晶體材料，而此研究證實膠體量子點這類較輕且多功能性的材料，在成本競爭力上有機會挑戰一般傳統材料。
研究團隊目前試圖進一步降低薄膜電子陷阱以獲得更高的光電轉換效率，許多有機與無機材料皆有可能作為良好的混合式鈍化層材料。此外，他們也致力於運用不同尺寸的量子點，目標為打造吸收頻譜更寬的多接面(multi-junction)太陽電池。詳見Nature Nanotechnology｜DOI:10.1038/nnano.2012.127。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:吳俊緯(成功大學微電子工程研究所)
責任編輯:劉家銘