美研发出高效光电转换纳米薄膜材料

    美国加州大学圣克鲁兹分校张劲(音译)教授领导的包括中国、美国和墨西哥三国研究人员之内的研究小组日前发表文章表示，他们成功研制出一种能高效率将太阳能转换成电能的纳米薄膜材料。该成果不仅能极大地提高太阳能电池光电转化率，而且可以用于其他能源技术中。

    为开发高效且廉价的太阳能电池，近来利用纳米结构的新材料成为重点研发方向。人们发现，两种制造太阳能电池材料的纳米技术方法显示出了独特的前景。一是将其他元素(如氮)掺杂于金属氧化纳米颗粒(例如二氧化钛)形成的薄膜中;二是用能强吸收可见光的量子点(纳米尺寸的晶体)向金属氧化薄膜注入电子。掺杂和量子点利用的目的都是增强金属氧化材料对可见光的吸收能力。

    张劲领导研究小组将上述两种方法结合起来，获得的太阳能电池材料的性能比单独使用任何一种方法产生的都要好。在测试中，新的纳米复合材料的性能大于两种单独成分之和。他表示：“我们起初以为能实现的最好结果是达到两者之和。而且假如出现偏差，我们可能得到更糟糕的结果。但是令人吃惊的是，这些材料更为理想。”

    研究中，张劲他们借助高技术仪器来了解新的纳米复合材料的特性，其中有原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱仪和光电化学技术。他们制作的二氧化钛金属膜的厚度在150纳米至1100纳米之间，二氧化钛粒子的平均尺寸是100纳米。他们将二氧化钛晶格材料掺杂了氮原子，同时用化学方式将硒化镉制成的量子点连接在其上，用于敏化。

    新的复合材料体现出了两种技术联合的优势。氮掺杂让新材料吸收广泛的光能，包括电磁波谱中的可见光波段;量子点则增强可见光吸收，并增加光电转换。与仅掺杂了氮或者仅嵌入了硒化镉量子点的材料相比，新的纳米复合材料表现出了更高的“光电转化率(IPCE)”。张劲表示，这种纳米复合材料的IPCE是其他两种材料的IPCE之和的3倍。其原因是电荷更易于在同时拥有量子点敏化和氮掺杂的纳米材料内跳跃。

    新的纳米复合材料不仅可以用于改进太阳能电池，而且还可以作为其他能源技术的组成部分。张劲他们的长期目标之一就是让高效的太阳能电池与最先进的光电化学电池相结合，这样的装置在理论上可能利用阳光产生的能量分解水生产氢燃料。此外，新的纳米复合材料还可能有潜力用于把二氧化碳转化为碳氢燃料(例如甲烷)的装置。