捕捉红外线来提升太阳能电池

一种新技术利用量子点将红外光子转化为可见光已被美国研究人员证实。这项技术通过一种叫做三重态-三重态湮灭的过程来工作，并有可能让半导体捕获带隙以下光子中的能量，从而提高太阳能电池的能量效率。研究人员认为，它还可以应用于生物成像或红外摄像机。

单结光伏电池的效率在理论上受到Shockley-Quiesser极限的限制，这意味着只有大约33.7%的太阳光能可以被捕获为电能。剩余的损失主要是因为p-n结只能产生具有单一能量的激子，该能量是半导体的价带和导带中电子的能量之差。低于这个能量的光子不能产生激子，所以它们只是直接穿过有源层。多结太阳能电池可以捕获更大比例的能量，但生产这些电池既困难又昂贵。

一种潜在的解决方案是上转换，即具有次带隙能量的光子被捕获在活性材料后面的有机层中，并用于创建低能量的三态激子。光不能直接有效地产生三态激子，因此通常添加一个敏化剂，当它吸收一个光子时，释放一个三态激子到有机层中。两个这样的三重态激子可以湮灭，从而产生一个更高能量的单线态激子，单线态激子会向活性物质中发射一个更高能量的光子。

无机化学家以前的研究Felix可以见到效果他在美国北卡罗莱纳州立大学的团队一直专注于有机金属敏化剂，这种方法已经取得了很高的效率，但也存在一些问题。首先，最有效的上转换系统出现在溶液中——由于制造方面的考虑，这在商用太阳能电池中是不可取的。其次，到目前为止，它们还不能上转换超过830nm的波长，这将严重限制它们在太阳能电池中的使用。

成功的毁灭

在这项新研究中，马克威尔逊和麻省理工学院的同事们使用了一种固态结构，包括80nm厚的敏化剂rubrene掺杂二苯并四苯基周围芴层，覆盖着吸收峰为850nm, 960nm或1010nm的硫化铅量子点。然后，研究人员用808nm激光激发了这一层，发现它在可见光谱中发光。他们得出结论，这表明量子点在rubrene中激发了三联体激子，这些激子成功地湮灭了。

卡斯特利亚诺对此印象深刻，他说:“这是一个很好的概念证明，你可以使用半导体纳米材料与分子界面进行近红外到可见光的上转换。”他认为，挑战将是确保三态激子能够足够快地穿过固体材料，与其他三态激子相遇并在它们简单地衰变为热之前湮灭。目前，量子点中只有大约1%的激发态以上转换光子的形式发射出来——尽管研究人员正在努力优化这一点。

有机固体化学家格哈德韦格纳德国马克斯普朗克聚合物研究所的教授说，在激子如何从敏化器转移到湮灭器的细节被解决之前，低效率很可能仍然是一个绊脚石。我预计，如果有突破，也将来自理论。

威尔逊承认，在这项技术对光伏发电做出有意义的贡献之前，有必要将效率最大化，但他认为，在那之前，这项技术可能只用于探测光线。例如，自动驾驶汽车通常使用红外摄像头，因为它们在黑暗或雾中看得更好。他说:“如果我们能实现这样的性能，我们可以用10美元(6.6英镑)的iPhone摄像头，而不是2万美元的导弹摄像头，这将真正改变一辆汽车的价格。”