量子點技術目前已經能商業化,用於提高產量以及擴大超高畫質(UHD)電視的色彩範圍,以免於仰賴中國幾乎壟斷市場的稀土元素。然而,根據美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory;BNL)的研究發現,量子點也可以用於吸收光源,從而提高太陽光電(PV)、光催化劑、光感測器以及其他光電元件的輸出量。

「我們開發出特殊的2D材料系統——硫化錫(SnS2),它類似於矽(Si)之處在於具有間接能隙,雖然無法直接為發光二極體(LED)提供足夠的電致發光,但採用二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2 )等其他具有高發光量的2-D材料,可為LED提供Qdot-2D混合架構,」主導這項研究的BNL功能奈米材料中心(CFN )物理化學家Mircea Cotlet表示。CFN中心隸屬於美國能源部(DoE)科學使用者設施辦公室(Office of Science User Facility)。

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研究人員展示摻雜量子點的奈米材料
(來源:Brookhaven)

研究人員們在層疊的金屬硫屬半導體集中光能接收器以及一種或多種正電元素,如硫化物、硒化物與碲化物,而非氧化物。布魯克海文國家實驗室並與石溪大學(Stony Brook University)、內布拉斯加大學(University of Nebraska)共同合作。

研究人員表示,這種途徑利用量子點在不同光譜的光採集特性,並摻雜硫化錫層的導電率,因此可說是一種混合材料。經由量子點吸收與其直徑相應的光頻率,並將其能量轉化為至硫化鍚半導體。結果證明這是一種可轉換PV與其他類似光感測器的理想材料。

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單個奈米晶體光譜可辨識零維CdSe/ZnS奈米晶體(量子點)與2D層疊硫化錫之間的互動作用,其強度隨著硫化錫層數量增加而提高
(來源:Brookhaven)

2D硫化錫也具有較高的表面與容積比,遺憾的是,還必須藉由量子點提升其光吸收量,才足以實現商用化與光採集器。不過,研究人員在為其增加量子點後,即觀察到光轉化為電的能力提升了500%,讓研究人員相信這一研究結果的可行性。

Cotlet表示,「這種能量轉換是讓2D硫化錫大幅提高光吸收量的過程。」

而在實驗室中,研究人員發現,增加大量的硫化錫層同樣也能提高材料的性能,並證明可成功打造光場效電晶體(FET)的概念。下一步,研究人員將會利用化學氣相沈積方式,試著最佳化低成本生長的材料,以期實現商用化。

這項研究是由美國國防部科學辦公室贊助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Quantum Dots Boost Solar Cells,by R. Colin Johnson)