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打磨太阳能电池量子点

编辑: 来源: 麻省理工科技创业 发表时间: 2012-06-04 已浏览 字号:

 

有时候,要解决大问题,你需要从小的地方开始,而且是非常小的地方。太平洋西北国家实验室化学成像部的科学家们所做的正是这样,他们分析了硒化镉(CdSe:cadmium selenide)量子点。量子点是纳米尺度的粒子,具有不同于大尺度材料的光学和电子特性。研究小组发现,尺度和环境会意外地改变量子点的结构。可以理解,有化学反应存在于这些微小的变换中,这可用于混合型太阳能电池,提高电子迁移率,最终可以提高它们的整体效率,这就可以促进国家的能源需求。
  大多数量子点研究,都是集中改善电荷传输和收集,提高太阳能电池的效率,但是,很少关注下面的化学机制。这项研究首次考察了周围环境和尺度,考察它们如何进行化学诱导,改变半导体量子点结构。最后,阐明了硒化镉量子点的化学和电子结构相互作用,因此,就可以揭示一些机制,改进混合太阳能电池技术。
  “因为混合型太阳能电池具有巨大的商用潜力,所以,大多数人都开始考察它的整体电池效率,但是,忽视了从根本上理解化学和电子结构的相互作用。”阿贾伊·卡拉考提(Ajay Karakoti)博士说,他是太平洋西北国家实验室的科学家,也是这项研究的领导,“美高梅官方网站试图了解基本的相互作用。美高梅官方网站要确保,不改变化学和结构的完整性。在这种情况下,它确实是这样,这是意想不到的。”
  了解这些微小的变换所涉及的化学反应,可用于混合型太阳能电池,提高电子迁移率,最终可以提高它们的整体效率,这就可以促进国家的能源需求。
  环境分子科学实验室(EMSL:Environmental Molecular Sciences Laboratory)的各种成像、光谱仪和衍射仪,都用于进行这项工作。这些仪器包括微X射线衍射仪,X射线光电子能谱仪,紫外-可见光吸取和发射光谱仪。卡拉考提和合著者庞努萨米·纳其穆图(Ponnusamy Nachimuthu)博士很快就说明说,环境分子科学实验室用户设施,可简化应用各种仪器和人员技能系列,这都是他们的研究所必须的。结合光谱仪和成像技术,就可以提供化学特征径迹,以及这些因素的空间分布。
  他们最初进行研究,使用的是硒化镉量子点,用于它们的原生环境,然后浇铸在硅片上,这只是一小步,还要进行更详细的考察,考察量子点融入聚合物基质中的情况。根据这项研究,这个小组扩展了研究重点,确定硒化镉量子点中缺陷态的来源,缩小尺度和作用,用于相变,电子结构以及能带排列(band alignments)。
   他们的论文《探测尺度和环境诱发相变的硒化镉量子点》(Probing the Size- and Environment-Induced Phase Transformation in CdSe Quantum Dots),发表在2011年11月3日的《物理化学快报杂志》(Journal of Physical Chemistry Letters)上。
  论文摘要说,硒化镉量子点的结构和电子性质的研究,采用原位微X射线衍射,X射线光电子能谱,紫外-可见光吸取和发射光谱。原位微衍射数据表明,硒化镉量子点配位,是采用三辛基氧化(TOPO:trioctylphosphine oxide)或十六烷基(HADA:hexadecylamine),在甲苯(toluene)中的呈现主要是纤锌矿(wurtzite)晶体结构,经过相变,成为闪锌矿(zinc blende)晶体结构,之后浇铸在硅上。而且,减少硒化镉量子点的尺寸,会促进相变。X射线光电子能谱显示,系统地增加核心层结合能,结合三维镉和三维硒以及带隙,需要缩小硒化镉量子点的尺寸,会表现出量子限制。此外,镉/硒的比例会增加,因为量子点的尺寸会从6.6纳米降低到2.1纳米,这就会增加硒的空位,从而引起相变。把硒化镉量子点浇铸在硅上,会改变配位基(capping ligands)的排列,这会显著促进更多的相变。

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