膠體半導體納米晶體用紫外線照射。量子限制（Quantum confinement）效應導致帶隙能量隨納米晶體的大小而變化。每個試管內都有一個分散在液體溶劑中的單分散（monodisperse）納米晶樣品。來源：多倫多大學

競相取得越來越高的光電轉換率，可以這么說，是一個熱點研究領域。一種研究是集中在量子點，就是直徑2-10納米（約10-50原子）的半導體納米晶體，在其中，電子的運動在所有三個維度都受到限制，這種量子點是納米太陽能電池技術的基本要素。

納米粒子有時被稱為人造原子，它的組成成分有鎘，鋅，硒，碲，硫等化合物，納米粒子是如此微妙，以致于添加或去除一個電子，都代表著顯著的變化，這個屬性，使它們不僅適合用作先進的太陽能電池元件，而且適合用于固態照明，醫療傳感器和其他領域。

尤其是，膠體量子點（CQDs：colloidal quantum dots）是由一種三組分系統合成，這三個組分是前體、機表面活性劑和溶劑，這種量子點可通過改變大小來進行調整，這就可以在光伏結構中，根據需要調整頻譜響應。最近，多倫多大學（University of Toronto）的電氣和計算機工程系的研究人員，展示了第一款膠體量子點串聯太陽能電池（CQD tandem solar cells ：一系列連接的太陽能電池，在其中增加更多的設備，可以優化每個設備，以較窄的頻譜，實現較高的整體效率），他們使用尺寸效應，調整單一的膠體量子點材料硫化鉛（lead（II） sulfide-PbS）。他們能夠調整膠體量子點薄膜，使串聯和多結太陽能電池（通過結合不同大小的膠體量子點來制造）都提高了太陽能電池轉換率的限度，從目前的31％分別提高到42％和49％。

這項研究的領導是多倫多大學的愛德華H•薩金特（Edward H. Sargent）教授，他和其他研究人員一起，克服了以前膠體量子點光伏研究遇到的困難，這個困難就是缺少一個關鍵的部分：結合處，也就是電池正面和背面之間的連接點。“我們的論文之前，”薩金特說，“未曾有人報道過，膠體量子點太陽能電池可以使正面電流電池，或可見光波長帶隙（visible-wavelength-bandgap）電池，有效匹配背面紅外帶隙（infrared-bandgap）電池，并可以成功地計算每個電池的電壓。我們開發出一種新技術，稱為梯度復合層（Graded Recombination Layer），可以連接正面和背面的電池，基本上沒有性能損失，通過一系列材料，逐漸把正面電池的活性轉移到背面電池中。”

關鍵是，堆疊的材料是高度透明的，因此被證明非常有效，可以制成第一款高效率的膠體量子點串聯電池。薩金特補充說，在這一點上，“膠體量子點光伏主要的先進需要，是在膠體量子點層自身內部來改善傳輸。這將同樣有利于單結和多結太陽能電池。”

在應用方面，薩金特指出，“一旦我們超過10％的太陽能轉換效率（今天，膠體量子點光伏的最好的報道是5.6％，所以我們仍然有很長的路要走），我們就可以低成本制造柔性，大面積的太陽能電池。具體來說，我們的目標效率結合低成本的材料和制造，可以顯著改善每瓦峰值的整體安裝成本。”

 
量子點中3D限制的電子波函數（electron wave functions）。這里顯示的是矩形和三角形量子點。矩形量子點中的能量狀態更像“s-型”和“p-型”。然而，在三角形量子點中，波函數因限制性對稱而混合。來源：多倫多大學

那么，由此推論，膠體量子點光電可以進行重大縮放。“即使在研發實驗室，”薩金特指出，“我們也合成了足夠的膠體量子點，每次都要用完整的吸光材料覆蓋一平方米的表面。工作中仍需要做的，是開發最終的薄膜處理方法，要兼容大面積的卷對卷加工。”

薩金特注意到，這與斯坦福大學（Stanford University）的光子增強熱電子發射（PETE：Photon Enhanced Thermionic Emission）研究有一些重疊。光子增強熱電子發射提高了熱電子裝置（把熱轉換為電能）的能量轉換效率，這種裝置被用作太陽能光熱系統的一流循環，從而有可能使光電轉換率增加一倍。“我們方法的共同點，是把頻譜分裂成兩個組成部分，就是高能可見光和較低能量但屬于富光子積分通量（abundant-photon-fluence）或電通量的紅外光。這就是說，”他強調，“也有重要的差異：我們的方法不需要光學聚集，而光子增強熱電子發射就需要。此外，我們的裝置在典型的環境溫度下效果最好；而光子增強熱電子發射要求陰極運行在600 - 800℃。”

薩金特看到，小組研究的下一步是“集中加強膠體量子點薄膜內的電子和空穴傳輸，目標是制成可低溫加工的柔性低成本太陽能電池，要超過10％的太陽能電池轉換效率。”

更多信息：《串聯膠體量子點太陽能電池采用分級復合層》（Tandem colloidal quantum dot solar cells employing a graded recombination layer），《自然光子學》（Nature Photonics）
http://10.1038/nphoton.2011.123