溶液處理的半導體，包括鈣鈦礦和量子點（即量子尺寸範圍內物質的小顆粒）等材料，是電導率介於絕緣體和大多數金屬之間的物質。已經發現這種類型的半導體對於開發性能良好並且具有低製造成本的新光電子器件特別有前景。現在，一些研究強調了通過結合膠體量子點(CQD)、可以捕獲紅外光子的納米顆粒和有機發色團（分子中吸收可見光光子並賦予分子顏色的部分）來製造半導體的優點。儘管如此，到目前為止，基於膠體量子點和髮色團的混合光伏只實現了低於10%的功率轉換效率(PCE)。
這是由於不同組件之間的化學不匹配，以及在實現電荷收集方面的挑戰。多倫多大學和韓國KAIST的研究人員開發了一種混合架構，通過將小分子引入膠體量子點/有機堆疊結構中來克服這些限制。所創造的混合太陽能電池，發表在《自然能源》期刊上，取得了顯著的功率轉換效率，即使在長時間連續運行後仍然保持不變。這項研究的第一個挑戰是結合膠體量子點寬光吸收波段和有機分子強(但較窄)吸收係數的優點，以創建一個更高性能的光伏平臺。
研究人員從伯克利國家實驗室一個研究小組近20年前進行的一項研究中獲得了靈感，該研究證明了使用半導體納米棒和聚合物製造混合太陽能電池的潛力。當伯克利實驗室的團隊和其他幾個人試圖將有機分子與膠體量子點結合時，Baek和同事認為這很難實現，因為混合架構實現的器件性能低於典型有機或純膠體量子點半導體。因此，研究人員著手進一步研究膠體量子點/有機半導體的潛力，試圖克服先前開發的架構限制。為了使太陽能電池表現良好，它們應該能夠最大限度地吸收光，並有效地將其轉化為電流。
新開發的混合太陽能電池有一個小分子橋，它補充了膠體量子點吸收，而膠體量子點吸收又與宿主聚合物產生了一個激子級聯，這促使了比在其他混合架構中觀察到更有效的能量傳遞。新開發的結構可以通過額外有機層實現高的光收集效率，該有機層在其背面具有很強的吸收係數，並且在其正面附近有膠體量子點的主要寬帶吸收。由此產生的太陽能電池最大優點是，能通過調整膠體量子點的大小，並將其與合適的有機分子結合來對膠體量子點的光響應進行編程。
與其他類型的混合太陽能電池相比，新開發的太陽能電池的獨特結構，能在編程它們的功能時有更大的自由度。此外，它還能讓太陽能電池在更長連續運行時間內保持良好的效率。以前許多研究都報道了通過膠體量子點和聚合物的組合獲得廣泛和高吸光度，但由於電荷提取效率低，它們的性能效率較低。通過在膠體量子點/聚合物混合異質結構中引入第三種成分，即小分子橋，研究揭示了一種促進電荷提取和吸收的潛在機制，從而改善了功率轉換效率。
未來，這些太陽能電池可用於製造使用量子點和髮色團的光伏電池板，但其效率高於先前開發的混合結構效率。到目前為止，研究提出的膠體量子點-有機結構具有高達1100納米的吸收帶。因此，在下一步的研究中，研究人員希望調整結構或開發替代的混合結構，以實現更寬的吸收帶。最終，這種結構可以與實際的高帶隙鈣鈦礦太陽能電池相結合，例如，通過將後電池平臺設計為串聯結構，可以加強對鈣鈦礦不吸收的近紅外波段的吸收。理論上，當將混合結構組合為串聯結構的後部電池時，可以讓鈣鈦礦太陽能電池增加15%的效率。
博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Tech Xplore
參考期刊《自然能源》
DOI: 10.1038/s41560-019-0492-1
博科園｜科學、科技、科研、科普
閱讀更多 博科園 的文章
