晶體硅太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率的極限約為30％。因此，日本正在把新一代太陽(yáng)能電池的研發(fā)作為國(guó)家項(xiàng)目進(jìn)行推進(jìn)。其中，被視為終極太陽(yáng)能電池的是“量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池”。

近來(lái)，關(guān)于量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池已有新的研究成果。東京大學(xué)納米量子信息電子研究機(jī)構(gòu)主任荒川泰彥教授與夏普的研究組證實(shí)，量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率上限為75％以上，推翻了此前公認(rèn)的63％的說(shuō)法。

隨著對(duì)可再生能源期待的高漲，日本已經(jīng)把新一代太陽(yáng)能電池的研發(fā)作為了國(guó)家項(xiàng)目教學(xué)推進(jìn)。其中，被視為終極太陽(yáng)能電池的是“量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池”。

其理由是能量轉(zhuǎn)換效率高。目前，常見(jiàn)的晶體硅太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率上限約為30％。而量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池有望達(dá)到其2倍以上。

因此，為實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的實(shí)用化，全球眾多研究者都在加快研發(fā)速度。

用于封閉電子的極小微粒

在這種情況下，對(duì)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池有了新的發(fā)現(xiàn)。此前普遍認(rèn)為其能量轉(zhuǎn)換效率上限為63％，但2011年4月，東京大學(xué)納米量子信息電子研究機(jī)構(gòu)主任荒川泰彥教授與夏普的研究組證實(shí)，根據(jù)理論計(jì)算，其效率能夠達(dá)到75％以上。

“量子點(diǎn)”原本就是荒川教授于1982年在全球率先提出的概念，是指為封閉電子而形成的極小顆粒（點(diǎn)）。1個(gè)量子點(diǎn)的直徑從幾納米（納米為10億分之1）到幾十納米不等，由大約1萬(wàn)個(gè)原子構(gòu)成。

把量子點(diǎn)鑲嵌在太陽(yáng)能電池板的半導(dǎo)體薄膜中，就能夠大幅提高能量轉(zhuǎn)換效率。

太陽(yáng)能電池利用“帶隙”把太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能。帶隙是指半導(dǎo)體中“價(jià)帶”與“導(dǎo)帶”的能量差，其數(shù)值因半導(dǎo)體的種類而異。

由硅等半導(dǎo)體制成的太陽(yáng)能電池板在受到光線照射后，低能級(jí)p型半導(dǎo)體“價(jià)帶”中的電子將吸收光能，向高能級(jí)n型半導(dǎo)體的“導(dǎo)帶”移動(dòng)。此時(shí)產(chǎn)生的電壓差就作為電力輸出。

在陽(yáng)光之中，從長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外線到短波長(zhǎng)的紫外線，包含的光線波長(zhǎng)各異。光的能量因波長(zhǎng)而異，波長(zhǎng)越短的光線能量越大。

對(duì)于晶體硅太陽(yáng)能電池，長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外線光能過(guò)低，因此，價(jià)帶中的電子無(wú)法躍遷到導(dǎo)帶。也就是說(shuō)，紅外線不轉(zhuǎn)換為電能。

那么，通過(guò)縮小帶隙，使紅外線也能夠使價(jià)帶中的電子躍遷至導(dǎo)帶的方法或許可行，但實(shí)際情況并非如此。如果縮小帶隙，電壓也將隨之降低，因此無(wú)法得到足夠的電力。

而且，能夠作為電力輸出的能量?jī)H限于帶隙部分。在照射能量高于帶隙的紫外線時(shí)，其差值將以熱量的形式逸散。也就是說(shuō)，越縮小帶隙，轉(zhuǎn)換效率越低。

這就是晶體硅太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率上限停滯在30％的原因。既然物理性質(zhì)決定了帶隙，這也是無(wú)可奈何的事情。為此，研究人員們想出了很多避開(kāi)這種物理限制的方法。其中的終極方法便是使用量子點(diǎn)。


利用“量子隧道效應(yīng)” 


那么，為什么只是把量子點(diǎn)鑲嵌在半導(dǎo)體薄膜中，就能夠大幅提高能量轉(zhuǎn)換效率呢？

理由在于量子點(diǎn)與量子點(diǎn)之間發(fā)生的“量子隧道效應(yīng)”。

在我們居住的世界中，當(dāng)面前有一堵墻的時(shí)候，要想把球拋到墻的另一面，就需要使拋球高度超過(guò)墻壁。但是，在微米（微為100萬(wàn)分之1）和納米規(guī)模的量子力學(xué)的世界中，即使拋球的高度低于墻壁，也有辦法把球拋到墻壁的另一邊。也就像是墻上存在隧道一般，因此叫做量子隧道效應(yīng)。

在半導(dǎo)體薄膜上以數(shù)納米的間隔規(guī)則排列著量子點(diǎn)，那么量子點(diǎn)之間就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。而且，如果尺寸為納米規(guī)模，量子點(diǎn)中封閉的電子就會(huì)擁有分散的能量值，這稱為“能級(jí)”。

因此，當(dāng)量子隧道效應(yīng)在存在能級(jí)的地方發(fā)生時(shí)，其表現(xiàn)就像是在價(jià)帶與導(dǎo)帶的帶隙中間形成了“迷你帶”一般。 

如果形成迷你帶，電子就能夠吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)的光線，躍遷到迷你帶。躍遷到迷你帶的電子可以再吸收其他光線，繼續(xù)躍遷至更高的能帶。這樣就也能夠吸收此前晶體硅太陽(yáng)能電池未能利用的長(zhǎng)波長(zhǎng)光線。

也就是說(shuō)，量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池能夠通過(guò)使用量子點(diǎn)在帶隙之間形成迷你帶，吸收更多的波長(zhǎng)光線，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。


關(guān)于量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，研究者們多年來(lái)一直相信一個(gè)定論。那就是西班牙馬德里理工大學(xué)教授1997年發(fā)表的“量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的理論能量轉(zhuǎn)換效率上限為63％”。

就指出能量轉(zhuǎn)換效率上限能夠提高到晶體硅太陽(yáng)能電池的2倍以上而言，這項(xiàng)發(fā)表意義深遠(yuǎn)，這也是量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池被稱之為“終極太陽(yáng)能電池”的由來(lái)。

但提出量子點(diǎn)的荒川教授對(duì)此卻抱有疑問(wèn)。

荒川教授回顧道：“探討約63％的數(shù)值是否真的是上限是我們開(kāi)展研究的出發(fā)點(diǎn)。”

馬德里理工大學(xué)的教授把量子點(diǎn)形成的迷你帶的數(shù)量假設(shè)為一。而荒川教授認(rèn)為，通過(guò)控制量子點(diǎn)的大小和形狀，或許能夠形成多條迷你帶。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換效率還將進(jìn)一步提升。

荒川教授解釋說(shuō)：“例如，管樂(lè)器在調(diào)整大小，把音的波長(zhǎng)縮小到一半后，可以吹奏出高一個(gè)八度的音符。而電子具有波的性質(zhì)，因此我想到，與管樂(lè)器一樣，通過(guò)改變量子點(diǎn)的大小和形狀，或許可以自由控制電子的能級(jí)。”

經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，進(jìn)行理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果證實(shí)，通過(guò)控制量子點(diǎn)的大小、形狀和位置等條件，能夠形成多條迷你帶。

荒川教授說(shuō)：“研究結(jié)果顯示，形成4條迷你帶時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到75％。上限預(yù)計(jì)為80％。”