量子點太陽能電池新里程碑,轉換效率達 16.5%

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 19 日 17:22 | 分類 太陽能 , 奈米 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


太陽能技術日新月異,除了砷化鎵等化合物半導體製成的第二代太陽能,現在還導入有機聚合物、奈米與量子技術的新世代太陽能。而澳洲科學家就以新型奈米技術,研製出靈活可撓、能裝在穿戴式設備的量子點太陽能電池,其轉換效率更創新高達到 16.5%。

所謂的「量子點」(quantum dots),指的是能傳遞電子的人工奈米粒子,依據不同的材料、形狀尺寸、結構,吸收陽光後會發射出不同的光,也就是說科學家可藉由調整材料尺寸,來改變其光、電、磁性質,甚至是材料能隙。

因此量子點技術應用廣泛,催化、電子、光子學、感測、資訊儲存、醫療與圖像等領域都可見到,最為知名的可能是 QLED 顯示器或是生醫檢測。

陽光包含了各種不同波長的光線,而太陽能板就是吸收波長 1,000 奈米以下的近紅外光、可見光及紫外光,當光子的能量大於半導體的能隙,半導體也只會吸收相對能隙的能量並產生電子電洞對,其餘能量換轉換成熱能。

科學家可透過調整奈米粒子的尺寸,進而改變能隙大小,讓太陽能板能吸收更多的光子,只是這是一項具有挑戰的研究,澳洲昆士蘭大學(University of Queensland)團隊指出,過去由於量子點表面粗糙、也不太穩定,造成量子點太陽能電池轉換效率相當低,最高效率僅 13.5%。

昆士蘭大學團隊則聲稱已解決上述問題,透過全新的表面工程法(surface engineering method),控制量子點表面的功能化學物質,達到穩定量子點並維持電子路徑,新型量子點太陽能電池的轉換效率也創新紀錄達 16.5%,比過去紀錄高出近 25%。

化學工程教授 Lianzhou Wang 表示,傳統的太陽能板較硬,無具備可撓特性,矽晶太陽能製程也較貴,而團隊研發的新型量子點太陽能電池擁有靈活與可印刷特性,也可以室內發電,應用範圍相當廣泛,可以當作汽車、飛機、建築、穿戴式設備的「皮膚」,並為它們供電。

(Source:影片截圖)

目前太陽能主流技術為矽晶電池,是由矽料、矽晶圓、電池片、模組等廠商串起的龐大產業鏈,需要不少高昂設備、酸性環境撐起,Wang 表示,團隊已經研發出量子點油墨,讓太陽能電池可以像印刷報紙一樣,利用捲軸式(Roll-to-Roll)製程達到大規模商業化。

傳統矽晶太陽能電池為湛藍色,而昆士蘭大學新研發的量子點太陽能則是半透明的橙紅夕色,Wang 指出,新型量子點太陽能電池也可以化身太陽能窗戶,轉換光線發電之餘,也可以讓其他光線通過照亮室內,且除了用在太陽能領域,人們也可以用新型量子點油墨進行水分解製氫,有助另一個無污染能源發展。

目前研究已發表在《Journal Nature Energy》。

(首圖來源:昆士蘭大學