太阳能技术日新月异,除了砷化镓等化合物半导体制成的第二代太阳能,现在还导入有机聚合物、奈米与量子技术的新世代太阳能。而澳洲科学家就以新型奈米技术,研制出灵活可挠、能装在穿戴式设备的量子点太阳能电池,其转换效率更创新高达到 16.5%。
所谓的“量子点”(quantum dots),指的是能传递电子的人工奈米粒子,依据不同的材料、形状尺寸、结构,吸收阳光后会发射出不同的光,也就是说科学家可借由调整材料尺寸,来改变其光、电、磁性质,甚至是材料能隙。
因此量子点技术应用广泛,催化、电子、光子学、感测、资讯储存、医疗与图像等领域都可见到,最为知名的可能是 QLED 显示器或是生医检测。
阳光包含了各种不同波长的光线,而太阳能板就是吸收波长 1,000 奈米以下的近红外光、可见光及紫外光,当光子的能量大于半导体的能隙,半导体也只会吸收相对能隙的能量并产生电子电洞对,其余能量换转换成热能。
科学家可透过调整奈米粒子的尺寸,进而改变能隙大小,让太阳能板能吸收更多的光子,只是这是一项具有挑战的研究,澳洲昆士兰大学(University of Queensland)团队指出,过去由于量子点表面粗糙、也不太稳定,造成量子点太阳能电池转换效率相当低,最高效率仅 13.5%。
昆士兰大学团队则声称已解决上述问题,透过全新的表面工程法(surface engineering method),控制量子点表面的功能化学物质,达到稳定量子点并维持电子路径,新型量子点太阳能电池的转换效率也创新纪录达 16.5%,比过去纪录高出近 25%。
化学工程教授 Lianzhou Wang 表示,传统的太阳能板较硬,无具备可挠特性,硅晶太阳能制程也较贵,而团队研发的新型量子点太阳能电池拥有灵活与可印刷特性,也可以室内发电,应用范围相当广泛,可以当作汽车、飞机、建筑、穿戴式设备的“皮肤”,并为它们供电。
(Source:影片截图)
目前太阳能主流技术为硅晶电池,是由硅料、硅晶圆、电池片、模组等厂商串起的庞大产业链,需要不少高昂设备、酸性环境撑起,Wang 表示,团队已经研发出量子点油墨,让太阳能电池可以像印刷报纸一样,利用卷轴式(Roll-to-Roll)制程达到大规模商业化。
传统硅晶太阳能电池为湛蓝色,而昆士兰大学新研发的量子点太阳能则是半透明的橙红夕色,Wang 指出,新型量子点太阳能电池也可以化身太阳能窗户,转换光线发电之余,也可以让其他光线通过照亮室内,且除了用在太阳能领域,人们也可以用新型量子点油墨进行水分解制氢,有助另一个无污染能源发展。
目前研究已发表在《Journal Nature Energy》。
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(首图来源:昆士兰大学)