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具备便宜与无毒环保优势,新型量子点太阳能发展潜力受看好

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太阳能技术千百种,除了常见的硅晶太阳能电池,还有薄膜、钙钛矿、有机太阳能等技术,最近美国科学家就在「量子点(quantum dots)」太阳能技术有所突破,维持转换效率的同时,也改善过去採用有毒物质的缺点。

那幺量子点太阳能是什幺呢?量子点是种奈米大小的半导体材料,直径只有 2-10nm,多由铅和镉等元素製成,而依据不同的材料、形状、尺寸、结构,吸收阳光后会发射出不同的光,也就是说科学家可藉由调整材料尺寸,来改变光、电、磁性质与材料能隙,直径愈大能隙就愈小、发光频率偏蓝,反之直径愈短能隙愈大,发光频率偏红。

因此量子点技术应用广泛,催化、电子、光子学、感测、资讯储存、医疗与图像等领域都可见到,最近更有厂商推出量子点电视与显示器,只是传统的量子点材料多由有毒物质製成,扩大应用总会产生些许环境疑虑,对此美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)决定改变配方,採用铜、铟和硒,最后再镀上锌,最后再把量子点放入多孔二氧化钛电极中。

当二氧化钛照到阳光,其中的量子点吸收光子后,就会再释放电子到二氧化钛中,进而产生光电流(photocurrent)。半导体奈米晶体物理学家 Victor Klimov 表示,由于我们把四种元素结合到一颗奈米大小的粒子中,就很容易出现缺陷、有损效率,但团队发现这些缺陷并不影响性能,反而有助提高效率,观察到若吸收 100 个光子,光生电子可达 85 个,这也代表着光子至电子(photon-to-electron)转换效率为 85%。

但实际上太阳能转换效率没那幺高,根据发表在《Nature Energy》的研究,太阳能转换效率仅 9%-10%,无法跟前几个月澳洲昆士兰大学(University of Queensland)创下的 16.6% 纪录相比、也没有到过去最高的 13%,不过团队认为,这是个完全无毒的量子点太阳能电池,转换料率也还在均值範围内,製造成本也相对便宜,也确实显现出具备新型无毒、便宜、耐缺陷的太阳能电池潜力。

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