美研發(fā)出高效光電轉(zhuǎn)換納米薄膜材料

    美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校張勁(音譯)教授領(lǐng)導(dǎo)的包括中國(guó)、美國(guó)和墨西哥三國(guó)研究人員之內(nèi)的研究小組日前發(fā)表文章表示，他們成功研制出一種能高效率將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的納米薄膜材料。該成果不僅能極大地提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化率，而且可以用于其他能源技術(shù)中。

    為開發(fā)高效且廉價(jià)的太陽(yáng)能電池，近來(lái)利用納米結(jié)構(gòu)的新材料成為重點(diǎn)研發(fā)方向。人們發(fā)現(xiàn)，兩種制造太陽(yáng)能電池材料的納米技術(shù)方法顯示出了獨(dú)特的前景。一是將其他元素(如氮)摻雜于金屬氧化納米顆粒(例如二氧化鈦)形成的薄膜中;二是用能強(qiáng)吸收可見光的量子點(diǎn)(納米尺寸的晶體)向金屬氧化薄膜注入電子。摻雜和量子點(diǎn)利用的目的都是增強(qiáng)金屬氧化材料對(duì)可見光的吸收能力。

    張勁領(lǐng)導(dǎo)研究小組將上述兩種方法結(jié)合起來(lái)，獲得的太陽(yáng)能電池材料的性能比單獨(dú)使用任何一種方法產(chǎn)生的都要好。在測(cè)試中，新的納米復(fù)合材料的性能大于兩種單獨(dú)成分之和。他表示：“我們起初以為能實(shí)現(xiàn)的最好結(jié)果是達(dá)到兩者之和。而且假如出現(xiàn)偏差，我們可能得到更糟糕的結(jié)果。但是令人吃驚的是，這些材料更為理想。”

    研究中，張勁他們借助高技術(shù)儀器來(lái)了解新的納米復(fù)合材料的特性，其中有原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜儀和光電化學(xué)技術(shù)。他們制作的二氧化鈦金屬膜的厚度在150納米至1100納米之間，二氧化鈦粒子的平均尺寸是100納米。他們將二氧化鈦晶格材料摻雜了氮原子，同時(shí)用化學(xué)方式將硒化鎘制成的量子點(diǎn)連接在其上，用于敏化。

    新的復(fù)合材料體現(xiàn)出了兩種技術(shù)聯(lián)合的優(yōu)勢(shì)。氮摻雜讓新材料吸收廣泛的光能，包括電磁波譜中的可見光波段;量子點(diǎn)則增強(qiáng)可見光吸收，并增加光電轉(zhuǎn)換。與僅摻雜了氮或者僅嵌入了硒化鎘量子點(diǎn)的材料相比，新的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出了更高的“光電轉(zhuǎn)化率(IPCE)”。張勁表示，這種納米復(fù)合材料的IPCE是其他兩種材料的IPCE之和的3倍。其原因是電荷更易于在同時(shí)擁有量子點(diǎn)敏化和氮摻雜的納米材料內(nèi)跳躍。

    新的納米復(fù)合材料不僅可以用于改進(jìn)太陽(yáng)能電池，而且還可以作為其他能源技術(shù)的組成部分。張勁他們的長(zhǎng)期目標(biāo)之一就是讓高效的太陽(yáng)能電池與最先進(jìn)的光電化學(xué)電池相結(jié)合，這樣的裝置在理論上可能利用陽(yáng)光產(chǎn)生的能量分解水生產(chǎn)氫燃料。此外，新的納米復(fù)合材料還可能有潛力用于把二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)淙剂?例如甲烷)的裝置。