由硫化铅量子点制成的太阳能电池最终可能成为比硅电池更便宜、更灵活的替代品，但目前效率要低得多。不过，改变量子点太阳能电池的化学成分，可以调节其性能以实现更高效率，麻省理工学院物理学研究生 Patrick R. Brown 说。
Brown 解释说：“我们现在用硅所做的，是从高效技术出发，再设法降低成本；而我们的计划是从一种我们知道能够低成本制造的材料着手，看看能否提高它的效率。”
Brown 指出，硫化铅储量丰富，自然存在于矿物方铅矿中；目前全球只需几周生产的铅和硫，就足以制造硫化铅太阳能电池，为全世界提供全部电力。碲化镉或铜铟镓二硒（CIGS）等硅的其他替代品，缺点是所用原材料成本更高、储量更少。与有机聚合物和钙钛矿等新兴薄膜太阳能电池技术相比，硫化铅量子点还有一项优势：它们在空气中稳定。
Brown 说：“我正努力弄清楚，我们需要调节这种材料的哪些参数，才能使其达到更高效率。”
配体改变能级
量子点是纳米级晶体半导体，其 带隙 会随尺寸变化。带隙决定量子点太阳能电池能够吸收并转化为电能的太阳光谱区域——太阳光谱包含紫外光、可见光和红外光。Brown 最近与麻省理工学院教授 Vladimir Bulović 及另外五位研究人员合作开展的研究表明，将不同的有机分子（即配体）附着在量子点表面，可以改变其能级。Brown 在 Bulović 的有机与纳米结构电子学实验室制备并研究了硫化铅量子点太阳能电池。
当阳光照射太阳能电池中的半导体时，电子可能从紧密束缚的基态（“价带”）跃迁到束缚较弱的状态（“导带”），在那里电子可以自由移动并产生电流。Brown 研究了不同化学配体对量子点价带中电子基态能量的影响。在麻省理工学院教授 Marc A. Baldo的实验室里，Brown 使用一种称为紫外光电子能谱的技术，测量了经 12 种不同化学配体处理的硫化铅量子点薄膜的不同电子特性。结果显示，这些表面配体如同微小的电偶极子——在电学上相当于我们熟悉的条形磁铁——因此能够影响量子点内部电子的能量。
引导高效设计
Brown 说：“我们的研究表明，改变表面配体时，可以保持带隙不变，同时改变绝对能级。”调节量子点尺寸及其表面化学性质的能力，有助于设计高效太阳能电池，并最终设计出能吸收更多太阳光谱的多结器件。Brown 解释说：“有了通过更换配体来调节量子点能级的能力，我们就能确保器件中不存在能量势垒，让电子能够沿着能量降低的路径离开器件。”Brown 说：“通过如此简单的化学过程调节这些性质的能力，使这些材料与众不同，成为用于太阳能电池的独特且前景可期的选择。”
Brown 和麻省理工学院材料科学研究生 Donghun Kim 是这篇 论文的共同第一作者。论文题为《通过配体交换调节硫化铅量子点薄膜的能级》，于 2014 年 6 月发表于 《ACS Nano》 。其他共同作者包括麻省理工学院教授 Vladimir Bulović、Jeffrey C. Grossman 和 Moungi G. Bawendi，以及密歇根州立大学化学工程与材料科学助理教授 Richard R. Lunt 和香港中文大学电子工程助理教授 Ni Zhao。27 岁的 Brown 正在攻读物理学研究生学位的第六年，预计于 2015 年获得博士学位。他在圣母大学获得物理学和化学理学学士学位。Brown 是美国国家科学基金会研究员，也是 Fannie and John Hertz 基金会研究员。
Kim 使用原子尺度计算机模拟，对化学配体与量子点表面之间的相互作用进行建模。这些模拟解释了研究的一项关键结果：配体不同的电偶极矩导致量子点能级发生变化。Brown 说：“无论某种特定配体以何种方式与量子点表面结合，Donghun 的模拟都显示能级发生了偏移，而且与我们通过实验测得的偏移相符。”
满足全球需求
Brown 说，要通过光伏发电满足全球相当大一部分能源需求，需要安装数万平方公里的太阳能电池。硅基太阳能电池效率高，而且随着产量增加，成本不断下降；但硅质脆，因此必须用坚硬、相对沉重的铝制和玻璃框架封装。Brown 说：“量子点的关键理念是：我们不从必须切割成单片晶圆的大块硅晶体开始，而是从直径约 10 纳米的极小晶体开始；我们可以将它们溶解在溶液中，像墨水一样印刷出来。因此，我们最终或许不必受限于坚硬的玻璃基板，而是能够把太阳能电池印刷或喷涂到柔性基板上，就像印刷报纸一样。这些都是硅晶圆无法实现的。”
当然，量子点也有缺点，这正是这项技术尚未上市的原因。Brown 说：“电子在量子点之间跃迁，比在纯净、均匀的硅晶体中移动更困难。虽然我们使用的材料非常便宜，但电荷难以在其中移动，导致太阳能电池效率较低。”例如，电子可能被困在量子点表面。他说：“我们想做的一件事，就是弄清楚能在量子点表面采用哪些化学方法，消除这些陷阱态。”
Brown 说，这项研究的长期目标是利用可调节的电子特性，制造效率更高、柔性且能够低成本生产的硫化铅量子点太阳能电池。
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Denis Paiste 是麻省理工学院材料加工中心的科学撰稿人。
图片：Concentrix Solar 制造的一块太阳跟踪太阳能电池板原型，在其位于加利福尼亚大学的地点收集能源。路透社/Mike Blake。
