攻克全光谱太阳能挑战

新型太阳能电池堆叠两个吸光层，一层捕捉太阳的可见光线，另一层采集红外线部分，来源：多伦多大学

有一篇论文发表在《自然•光子学》（Nature Photonics）上，多伦多大学（Toronto University）工程研究人员报道了一种新的太阳能电池，可铺平道路，制成廉价涂层，有效地把太阳光转换为电能。

多伦多大学的研究人员中，领导者是特德•萨金特（Ted Sargent）教授，他们报告了第一款高效串联太阳能电池（tandem solar cell），是以胶体量子点（CQD：colloidal quantum dots）为基础。他说：“多伦多大学的这款设备是堆叠两个吸光层，一层调整为捕捉太阳的可见光线，另一层设计为采集一半的太阳能，就是在红外线的部分，”主要作者王西华（Xihua Wang）博士说。

“我们需要一个突破，要架构的接口就在可见光和红外线交界处之间，”萨金特说，他是多伦多大学电气和计算机工程教授，也是加拿大纳米技术首席科学家（Canada Research Chair in Nanotechnology）。“这个小组研制出一种级联（cascade），真正的瀑布形态，就是纳米厚的材料，穿梭的电子就在可见光和红外层之间。”

博士生伽达•科磊拉特（Ghada Koleilat）说，“我们需要一个新的战略，我们称之为梯度复合层（Graded Recombination Layer），这样，我们的可见光和红外光采集器就可以有效地联接在一起，不会降低任何一层。”

这一小组开创了这种太阳能电池，它的制备就是使用胶体量子点，这种纳米材料很容易调整，可以响应特定波长的可见光和不可见光谱。因为捕捉这样范围广泛的光波，比普通太阳能电池更广泛，所以，串联胶体量子点太阳能电池（tandem CQD solar cells）原则上可以达到高达42％的效率。最好的单结太阳能电池（single-junction solar cells）局限于最高31％的效率。在现实中，太阳能电池在屋顶上和消费产品中，只有14至18％的效率。这项工作发展了多伦多大学小组世界领先的的产品，就是5.6%效率的胶体量子点太阳能电池。

“制造高效、划算的太阳能电池是一个巨大的全球性挑战。多伦多大学是非常自豪的，它是这一领域的世界级领导，”法里德•纳吉姆（Farid Najm）教授说，他是电气与计算机工程系爱德华•罗杰斯主任（Chair of The Edward S. Rogers Sr.）。

萨金特希望，在五年内，太阳能电池使用分级复合层的，就是发表在《自然•光子学》论文中的那种，将会集成到建材、移动设备和汽车零部件中。

“太阳能团体以及全世界，都需要太阳能电池具有超过10％的效率，而这极大地提高了今天光伏组件的零售价，”萨金特说。“这一进展照亮了一条实际的道路，可以设计高效太阳能电池，充分利用各种不同的光子，这些光子组成太阳的广泛调色板。”

这一出版物所依赖的部分工作，支持奖金来自阿卜杜拉国王科技大学（KAUST：King Abdullah University of Science and Technology），加拿大安大略省杰出研究项目研究基金（ontario Research Fund Research Excellence Program）以及加拿大自然科学和工程研究理事会（NSERC：Natural Sciences and Engineering Research Council）。设备来自埃工程和创新技术机构（Angstrom Engineering and Innovative Technology），使这项研究成为可能。