用纳米技术突破太阳能电池瓶颈－－新型材料可使利用效率增加一倍

普照大地的太阳光中蕴涵着无限的能量，随着人们对环境保护的重视以及石油等能源价格的飚升，寻找可代替的能源成为当今社会的焦点，而科学家们对太阳能几十年来的研究表明，太阳能发展潜力巨大，其中太阳能电池的运用前景广阔，但目前的技术条件下，太阳能电池对太阳能量的最高利用率只有24.7%。
　　近日，美国新墨西哥州和科罗拉多州的两个实验室通过各自的实验，验证了相似的结论：以前的太阳能电池每吸收一个光子的太阳能，太阳能电池中的半导体材料只能产生一个自由移动的电子，而如果将半导体材料转换成纳米材料，一个光子的太阳能能够产生多个带电体，带电体自由移动到阴阳极后，就会形成更高的电压，储存更多的电能。两个研究小组的研究人员表示，一旦多个带电体原理的太阳能电池投入使用，太阳能的利用率将增加一倍，从现在的24.7%增加到50%，至少会达到45%。到时候，太阳能电池将会进入每个人的生活中，太阳能也会拥有更加光明的未来。

　　多电子空穴对

　　能够更经济有效地使用太阳的能量一直是科学家们想方设法解决的难题，目前在用的方法主要是让太阳光更加集中或让电池中的电子更加自由移动，而产生多个带电体的方法不仅是现有方法的补充，而且能够独一无二地从根本上解决问题，改变人们对太阳能使用的争议，这是物理学发展上重要的进步。

　　几十年来，虽然太阳能用于人造卫星等太空设备被证明效果理想，但在地球中的应用却缺乏竞争性，因而光电学的发展一直陷入困境。大多数半导体材料都是用硅制成，太阳能电池只能将非常小的一部分太阳的能量转换成电能，为了提高太阳能的利用范围和争取更多的资金投入太阳能研究领域，提高太阳能的利用效率就变得非常迫切了，而能够产生多个带电体的系统在这个时候的出现，将给太阳能的发展带来革命性的进步。

　　关于多个带电体系统的最近研究成果大约出现在1982年，当时一位材料科学家从理论上证明，在某些半导体材料中可能产生多个带电体。20年来，研究人员逐渐掌握如何调控纳米微晶体或量子点这类小半导体结构的特性。2002年，一位物理化学家预言，与大的半导体相比，纳米微晶体在产生多个带电体方面具有明显的优势，到2004年，美国新墨西哥州大学的克里莫夫领导的科研小组在研究激光和光电学的过程中证明，他们探测到了多个带电体现象。

　　这种多电体现象的出现取决于光电学装置与太阳光谱的作用方式。一旦半导体材料中的某个电子开始自由移动并传导电流，该电子原来所在的位置就会出现一个空穴，并且带有正电，电子与空穴之间就形成了电子空穴对，在某个特殊材料中产生一个电子空穴对所需要的光子的能量称作能量带宽，也就是在电子自由移动之前材料中的分子之间是共价键结合的，称共价能，而电子自由移动能够导电后，共价键变成离子键，这时称作传导能，传导能与共价能之间的差就是上面提到的能量带宽。大家都知道，彩色的太阳光是由许多不同波长的光线组成的，每种颜色的光子携带着特殊数量的光能，在光谱的红外端，光的能量最低，然后到蓝色、紫色和紫外端，能量逐渐增高。

　　只有当材料吸收的光子能量能相当于能量带宽的情况下，半导体材料才能产生自由电子，进而形成电子空穴对，如果光子的能量比半导体材料的能量带宽少，就无法产生自由电子了。因此太阳能电池要想有效使用，电池中半导体材料的能量带宽必须与光子的能量相匹配。硅材料的能量带宽与太阳光谱中红外线区域的光波能量相当，因此能够产生自由电子，形成电流。

　　如果一个光子所携带的能量刚好等于半导体材料的能量带宽，半导体就只能产生一个自由电子，并且没有光能剩余。但太阳辐射下来的大多数太阳光，其波长比红外线短，因此光子的能量比硅原子的能量带宽要高，一个光子在激活一个电子后，其余的能量都转化成热能逐渐消失了。而克里莫夫利用纳米微晶体技术捕获到了这些多余能量并将这些能量转换成了电能。纳米微晶体的关键在于纳米级的尺寸，当材料达到纳米级后，往往会出现超自然的物理特性，在传统的硅材料中完全不能产生的多电子空穴对（也就是前面提到的多个带电体）在特殊制成的纳米微晶体中变成了可能。克里莫夫最新的实验表明，利用直径4到8纳米的硒化铅晶体，每个光子能产生7个电子空穴对。

　　多电子空穴对挑战传统物理学定律

　　克里莫夫只是利用激光检测到了这种多电子空穴对现象，但这种现象是怎样产生的还不清楚。

　　当出现多个电子空穴对后，带负电的电子与带正电的空穴比较容易重新聚合，使获得自由的电子和空穴很快消失，所以只有用非常灵敏的光学探测器才能观测到多电子空穴对现象。克里莫夫利用了只能持续5×10-14秒的激光脉冲来跟踪检测，他们首先用激光照射硒化铅样本，再用另一束激光来监测硒化铅晶体在5×10-14秒内吸收了多少光能。

　　学过物理的人都知道，物理学中有一条基本定律即能量守恒定律，根据这个定律，多电子空穴对的能量总和不能超过撞击太阳能电池的光子能量，但克里莫夫的研究表明，在5×10-14秒这样极短的时间内，似乎没有遵守能量守恒定律。当高能量的光子撞击太阳能电池中的纳米材料后，材料中的电子就会跳到所谓的虚拟状态，在虚拟状态下电子所获得的能量高于光子所携带的能量，这种与能量守恒定律矛盾的状态只持续非常短的时间。超激活状态下的电子会将一部分能量通过撞击的方式传给另一个没有激活的电子，这样一个光子就产生了两个带电电子。

　　来自科罗拉多州实验室的研究证明了另一种模型，他们认为，电子被激活后出现了多种能量相干叠加态，这种叠加态不遵守传统的物理规律。在吸收了高能量的光子后，电子会出现两种不同的能量状态：一种与单电子空穴对一致，一种与多电子空穴对一致，结果，出现了多电子空穴对和高能量的单电子空穴对相叠加的混合态，这种叠加的状态也只在非常短的时间内出现。

　　离实际应用还需时日

　　由于多电子空穴对形成电流还需要克服许多障碍，这种高效率的太阳能电池投入使用还有很长的路要走。其中最大的障碍是如何将电子空穴对中的电子与空穴分开，由于电子与空穴带的电荷不同，它们很容易重新结合，多电子空穴对寿命很短，大概只能存活万亿分之一秒（10-12秒），而传统光电装置中，硅材料中的电子和空穴存活的时间稍长，大概百万分之一秒（10-6秒）。

　　所以这种多电子空穴原理的太阳能电池要想投入使用，第一步需要克服的就是可靠地将电子与空穴分开。目前科学家们有两种研究思路，一种是利用导电性强的聚合物吸收带正电的空穴，光子产生了电子空穴对后，空穴移到聚合物中并通过聚合物游动到电极的一端，同时电子通过从一个纳米微晶体跳到另一个纳米微晶体，到达另一个电极。这种方法也存在技术难点，一个问题是聚合物必须与纳米微晶体紧密接触，另一个问题是电子在纳米微晶体之间的传导效率很低，最后到达电极的电子很少。

　　另外一种研究思路是，避开电子在纳米微晶体之间的跳跃性传导，而是在电极与半导体之间设置纳米电线，电子和空穴快速通过纳米电线，直接到达电极。但这只是停留在猜想阶段，还需要实验证明。

　　此外，科学家们还在纳米微晶体材料的研究中获得进展，由于硒化铅毒性太强，其生产要求很高，而且这种晶体的能量带宽很大，为了产生多个电子空穴对，往往需要吸收太阳光谱中高能量端的光子。由于晶体越小其能量带宽越大，适当调大纳米晶体的直径也是解决问题的办法。科学家们已经证明，能量带宽较小的纳米微晶体如硫化铅、碲化铅以及硒化镉等可以取代硒化铅，用于太阳能电池。

　　太阳能电池除了用来发电外，也可以用来催化化学反应，利用这种化学反应生成新的燃料，很显然，多电子空穴对的太阳能电池能够加速这种反应。举例说明，将纳米晶体侵入水中，太阳能电池中的电流会将水分子分解成氢原子和氧原子，而多电子空穴对的原理能加速水分子的分解速度，产生更多的氢和氧。对于不排放毒气和不用汽油的燃料电池汽车来说，氢是燃料电池工作的基础，电池中的氢与空气中的氧相互作用形成电流，但是电池中的氢在产生的过程中是需要消耗能量的，如果这个能量还是来源于常用的燃料，用氢来改善环境的初衷就无法实现，现在太阳能似乎能解决问题，用太阳能来产生氢就可以完全摆脱传统能源的困绕了。科学家们也在考虑将太阳能用于植物，将植物中的水分和二氧化碳转化成甲醇或乙醇，在加油站，向汽车中加甲醇或乙醇这些液体燃料比加氢要省事得多。总之，多电子空穴对的太阳能电池无论用于什么目的，都会产生令人惊奇的效果。

记者：聂翠蓉  
http://www.stdaily.com/gb/stdaily/2006-07/20/content_548452.htm