把太阳能电池元件制成分子大小，可能是取得无限清洁能源的途径之一——

如果想要获得高效的太阳能，维克托 · 克里莫夫(victor Klimov，下图)自有办法——给他提供一个太阳光子，他就会给你提供两个电子的电流。

难道不被打动吗？现在从人造卫星到袖珍计算器所应用的太阳能电池，每一个进入电池的光子至多贡献一个激发电子使其产生的电流：现在，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家克里莫夫已经突破了这个界线。他证明，把太阳能电池的元件缩小至几个纳米，就能使每个捕获的光子产生不止一个，而是两个甚至更多的电荷载体。

超微晶体：使光子产生多个电子的关键

一个光子产生多个电子，这一已为科罗拉多戈尔登可再生能源国家实验室的研究小组重现的成果，是物理学上的一个里程碑。如果能加以开发利用，将使太阳能能源利用效率高得多，经济得多，从而改变对整个能源利用的思考。为提高太阳能效率正在进行的许多工作——例如集聚太阳光，或使电子在电池中更易移动，而这里介绍的新方法则是无与伦比的，它接触到了这一过程的真正根源，也补充了其他方法的不足。

数十年来，光电学因处于能源技术衰微的边缘，在卫星等场合应用是理想的，但在陆地上却没有经济竞争力。通常硅半导体材料制成的太阳能电池只能将少得可怜的一部分太阳能转变成电能。当迫切需要利用太阳能而尚未下决心投资的时刻，从根本上提高其效率将大大促进对太阳能的利用。“如果把它转变为能产生多电荷载体的系统，将是革命性的。”美国能源部基础能源科学办公室代理主任埃里克 · 罗尔芬(Eric Rohlfing)说。

最近的研究结果可追溯至1982年，当时华盛顿哥伦比亚特区海军科学实验室的材料科学家亚历山大 · 埃弗罗斯(Alexander Efros)证明，在某些半导体中，一个光子产生多个电荷载体在理论上是可能的。在接下来的20年中，研究人员逐渐掌握了超微晶体或量子点的微型半导体结构的性质。2002年，可再生能源国家实验室的物理化学家亚瑟 · 诺泽克(Arthur Nozik)预言，相对于体积大的半导体而言，在超微晶体中，多电荷载体的产生会增强。直至2004年，克里莫夫研究组才证明，可以可靠地检测到这种效应。

多电荷载体的效应来自于光电装置与太阳光谱的相互作用。当半导体材料中的一个电子能自由移动并导电时，就会在晶体中留下“空穴”；我们把这种电子-空穴对称为激子。在特定的材料中形成一个激子所需的光子能量被称作“带间隙”(指在所谓“价带”中定域的电子与属于“导带”中的大量自由移动的电子的能级之差)。日光由各种颜色的波长组成，每种颜色的光子带有特定的能量：低能量在光谱的红外和红端，高能量趋向蓝、紫和紫外端。

要制成高效的太阳能电池，必须使光子的能量与电池材料的带间隙相匹配。硅的带间隙相当于光谱的近红外区的波长。如进入的光子能量比它小，那就连形成一个激子的量子力都没有。如一个光子恰好具有带间隙的能量，则会形成一个激子而没有能量剩余。因此，该太阳能电池就充分利用了这部分光谱中光子的能量。

然而太阳射出的大部分光的波长比红外短，因此其光子的能量比硅的带间隙高。而每一个电磁能量包无论多么有效，也只能释放一个电子。剩余的能量作为热量会逐渐消失掉，对装置的电输出毫无贡献。而克里莫夫的技术发掘出了这部分被浪费掉的能量，使其转化为电能二他说，关键是用于吸收光子的是小尺寸的超微晶体。当结构缩小至几千个原子大小时，其物理性状就变得很离奇。在一般的硅中，几乎全然不能出现多激子现象，但在特制的超微晶体中就可能会出现。克里莫夫宣称，在最近的一系列试验中，直径为4~8纳米的硒化铅晶体中每个光子能产生多达7个激子。“它们很容易得到，只要几分钟就生成。这就像在制造自然界中不存在的新原子一样。”

超微晶体行为的测定

要检测这种多激子，必须在精确得无以复加的时间间隔内测定超微晶体的行为。克里莫夫和同事理查德 · 萨勒(Richard Schaller)用持续仅5×10-14秒的激光脉冲照射硒化铅样品，然后用另一束激光照射以探查该晶体，以监测在下一个千分之几纳秒内它吸收了多少光。单个的激子是稳定的，如果只有一个激子，则在该时段内的吸收保持不变。但如果形成多个激子，则情况就两样了：激子会迅速消失，引起晶体吸收性质发生特定的改变，这可由灵敏的光学检测器测得当然，光子产生多个电荷载体的能力是有限的：物理学的基本规律是，激子的总能量不能超过撞击电池的所有光子的能量。“我们依然受能量守恒的约束。”克里莫夫说。

果真如此吗？多激子是怎么产生的仍然是个谜。按克里莫夫的看法，当一个高能光子撞击材料时，电子就跃迁到他称之为“有效”的能态上。在这里，电子实际上获得的能量比这个光子所携带的能量多；之所以存在这种看似矛盾的现象，是因为有效态持续的时间十分短暂。这种“超受激电子”主要通过意外的碰撞，把它的某些能量传递给了另外的“未受激电子”：结果是一个光子产生了两个激发电子。

诺泽克提出了另一种模式。他说，存在着能量态的“耦合重叠”一一不服从有形类似的量子力学效应。随着一个高能光子的吸收，一个电子将占有两种不同的能态：其中一个与单个激子的生成相一致，另一个则与多个激子的生成相一致。诺泽克研究组的成员加里 · 朗布尔斯(Garry Rumbles)说，实际上，“可以取得混合的能态一一一种能态看起来像3个激子，另一个看起来像具有很高能量的单个激子”。这种重叠会维持一个很短的时间，直到电子定下来。

电子显微镜下的呈球形或立方体形的硒化铅量子点和碲化铅量子点。

太阳能电池不管如何工作，只有把形成的电荷引入电路才有用。而要建立一个现实有用的装置目前存在着较大的障碍。“要产生电流，就必须把电子与空穴分离，这是一个很大的难题，”克里莫夫说。关键在于多激子的寿命极短，在电子与空穴重新结合以前，仅能维持几十个微微秒或百万分之几秒；在通常的光电装置中，电子与空穴维持分开的时间要长得多，接近1微秒。

这意味着克里莫夫的工作离实际应用还有很大的一段距离。伯克利加利福尼亚大学的化学家保罗 · 阿利维萨托斯(Paul Alivisatos)说：“我们可以把它看作是一种原理的验证，”尽管解决如何分离和获取超微晶体中产生的多电荷载体是个难题，但“值得花时间去研究。”如能解决这一难题，就一定会提高光电效率。

美国能源部从事太阳能利用研究的化学家内森 · 刘易斯(Nathan Lewis)对此有同样的看法。他认为这是“理论预期的重要确认”。他解释道：“这就像我们知道在太阳上有核聚变发生，而在地球上进行核聚变则是另一回事。”

实用必须突破材料关

第一步是把多个电子与空穴分开。这就需要找到电子能量特征与超微晶体相称的材料。一种方法是用导电聚合物来提取空穴，克里莫夫小组目前正在与得克萨斯大学的物理学家安维尔 · 扎克道夫(Anvar Zakhidov)进行这种聚合物掺入硒化铅晶体样品的研制。在光子形成电子一空穴对后，空穴会移入聚合物，最终移至电极上；此时激发的电子就会在超微晶体间跃迁，直至到达另一个电极。

然而这项工作遇到技术上的困难。“我们还刚开始进行试验，”扎克道夫说。一个问题是，超微晶体必须与聚合物“密切接触”；而电子在一系列超微晶体中的传导效率很低，“还存在着不少死胡同”。

伯克利的纳米材料专家杨培东(Peidong Yang)提出了另一种收集太阳能诱导电荷的方法。杨培东目前正在试验超微金属丝—直径仅为几纳米的高度导电的细丝。他说，原则上电子和空穴能飞速通过一系列超微金属丝，直达集电极上，“就像汽车在没有停车灯的快车道上行驶一样”。不过，超微金属丝能否在尽可能短的时间内获得多个激子，还处在观望之中。

有待进展的另一个领域是制取超微晶体所用的材料。迄今所用的硒化铅远不够理想。首先，它有毒，其制造操作十分棘手。其次，其带间隙很大。生成多个激子的光子的能量至少必须等于该材料带间隙的两倍；对于硒化铅来说，只有在光谱高能端的光子才足以达到这一能量。

有一种方法也许可以解决这个问题。由于电子限于十分紧凑的空间时可使能级升高，故最小的晶体具有最大的带间隙，产生最大数目激子的方法就是设计带间隙小的晶体。再生能源国家实验室的物理学家兰迪 · 埃林森(Randy Ellingson)说，只有让超微晶体“长”得大一些。这样就有可能利用太阳光谱中的大量光子产生多个激子。但埃林森同时指出，弊端是低的带间隙意味着电极间的低电压，这会限制电池的总的输出功率。

研究人员还在探索其他一些材料。克里莫夫和诺泽克观察了包括硫化铅、碲化铅和硒化锅在内的另一些半导体中产生多激子的情况。克里莫夫说，他的小组已经鉴定了两种新材料，其毒性较硒化铅小，而带间隙与硒化铅相比，更与太阳光谱相匹配。

如果每一个光子都能产生多个电荷载体，则太阳能电池的总功效可大大提高。目前地面电池的世界纪录为24.7%，是由澳大利亚新南威尔士大学取得的。克里莫夫预期，多电荷载体的产生终有一天会制成效率两倍于此的电池(效率接近50%)。埃林森则略显保守，但他依然预计效率可达45%左右。随着更多成果的出现，能迅速制造额外电子的集成电路片，终有一天会为我们带来太阳能利用的光明未来。

上图是由杨培东(上)拍摄的一条中段有个染色滴的纳米带。激光脉冲从纳米带的一端传送到另一端时，就会从染色滴中产生强烈的荧光。