荷蘭科學家發現熱載子（hot carrier）在量子點（quantum dot, QD）中的冷卻速率與量子點所處環境有關。相較於分散在溶劑中的量子點，熱載子在構成導電薄膜的量子點內較快冷卻。由於熱載子越慢冷卻太陽電池的效能越高，因此量測熱載子在量子點中的冷卻速率是相關應用上關鍵的一環。
所謂熱載子是由能量高於半導體能隙的光子所產生的電子電洞對。在塊材半導體中，熱載子會在數皮秒（picosecond, ps）內迅速冷卻並釋放聲子（phonon），亦即透過晶格振盪將能量以廢熱形式釋出，這些廢熱佔現行太陽電池能量損耗中的 50%。若能在這些能量轉成廢熱前加以收取，將可大幅提高太陽電池的光電轉換效率，而半導體奈米微粒形成的量子點可望完成此任務。
膠狀（colloidal）量子點薄膜又名量子點固體（QD solid），近來已經被用來製作出光感測器、場效電晶體和太陽電池。在這些元件中，量子點因緊密相鄰導致波函數重疊，電荷載子遷移率因而提升到可發展實用元件的水準。硫化物的電子與電洞有效質量（effective mass）較小，波函數重疊特別大，其中硫化鉛（PbS）和硒化鉛（PbSe）等量子點固體吸光效率高，適合用來製作太陽電池。
這些材料吸收光後不僅能以極高的效率產生載子，而且載子具有高遷移率，能輕易到達元件的電極。多重激子產生（multiple exciton generation）使得一個吸收光子能產生更多的電子電洞對，有助於增進光探測器的靈敏度及太陽能電池的轉換效率。
所謂熱載子是由能量高於半導體能隙的光子所產生的電子電洞對。在塊材半導體中，熱載子會在數皮秒（picosecond, ps）內迅速冷卻並釋放聲子（phonon），亦即透過晶格振盪將能量以廢熱形式釋出，這些廢熱佔現行太陽電池能量損耗中的 50%。若能在這些能量轉成廢熱前加以收取，將可大幅提高太陽電池的光電轉換效率，而半導體奈米微粒形成的量子點可望完成此任務。
膠狀（colloidal）量子點薄膜又名量子點固體（QD solid），近來已經被用來製作出光感測器、場效電晶體和太陽電池。在這些元件中，量子點因緊密相鄰導致波函數重疊，電荷載子遷移率因而提升到可發展實用元件的水準。硫化物的電子與電洞有效質量（effective mass）較小，波函數重疊特別大，其中硫化鉛（PbS）和硒化鉛（PbSe）等量子點固體吸光效率高，適合用來製作太陽電池。
這些材料吸收光後不僅能以極高的效率產生載子，而且載子具有高遷移率，能輕易到達元件的電極。多重激子產生（multiple exciton generation）使得一個吸收光子能產生更多的電子電洞對，有助於增進光探測器的靈敏度及太陽能電池的轉換效率。
然而，研究人員尚未釐清量子點固體中光子產生電荷載子的機制，也不了解極短時間內的載子動力學，而這些對於提升量子點光電元件效能至為重要。最近，台夫特（Delft）科技大學的 Arjan Houtepen 等人研究了電子和電洞如何在 PbSe 量子點固體內移動，尤其是在光激發後的數皮秒內。
該團隊在光激發後的量子點內發現兩個分立的鬆弛（relaxation）過程。一是熱載子鬆弛，意指電子和電洞從高能階到較低能階，又稱為帶內冷卻（intraband cooling）；另一為載子鬆弛，發生於不同兩量子點間的跳躍（hopping），或稱光譜擴散（spectral diffusion）。實驗結果顯示，做成導電薄膜的量子點固體具有較短的帶內冷卻時間（0.25 ps），而溶液內量子點則為 0.69 ps。
Houtepen 表示，量子點固體有許多優點，如高效光吸收率、多重激子的產生及高電荷遷移率等。接下來的挑戰則是增加這些結構中的電荷載子的生命週期，而關鍵技術在於控制量子點表面。詳見 Nano Lett.｜DOI:10.1021/nl203235u。
譯者：邱鈺芬（逢甲大學材料科學與工程系）
責任編輯：劉家銘
原文網址：Quantum dots and solar cells—nanotechweb.org
本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2011-12-07]
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