诺基克希望量子点技术能带来更加有效、更加廉价的太阳能电池,并最终使太阳能发电能够同其他发电手段相竞争
理论上,没有任何再生能源可以像太阳能这样拥有巨大的潜力。但是利用廉价而丰富的太阳能发电目前依然难以实现,这很大程度上是因为太阳能电池的造价过于昂贵。
光伏电池利用半导体技术将光能转化为电能。作为目前应用广泛的光电材料——硅,能够相当有效地实现这个转换,但是硅电池的制造成本比较高。虽然一些价格相对便宜的半导体材料已经面世,但其转换效率却很难同硅材料媲美。最近可能出现一种新的解决方案:一些化学家认为,量子点结构材料(只有几纳米大小的微小半导体晶体)最终能够使太阳能发电的成本同化石能源发电相竞争。
量子点拥有与光相互作用的独特能力。在硅中,一个光子能够让一个电子摆脱原子核的束缚。在1990年代后期,美国国家再生能源实验室的阿瑟·诺基克(Arthur Nozik)认为,某些半导体材料的量子点,在被来自于光谱末端的蓝光和紫外线等高能光子轰击时,能释放出两个以上的电子。
2004年,美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的维克多·克勒默(Victor Klimov)通过实,验,首次证明了诺基克的理论是正确的;2006年他发现硒化铅的量子点被高能紫外线轰击时能使1个光子产生7个电子。诺基克的团队不久后证明了量子点效应同样发生在其他一些半导体上,比如硫化铅和碲化铅。
这些实验并没有制造出一种适合商业化的材料,但是他们认为,量子点技术有朝一日肯定能提高光能转化为电能的效率。由于量子点能够通过普通的化学反应获得,所以也可以将使太阳能电池的成本降低很多。
诺基克实验室的研究人员最近论证了硅材料量子点的超电子效应,利用量子点技术制造出的硅材料太阳能电池,其成本将远远低于目前使用大单晶硅的成本。
迄今为止,超电子效应还仅仅是体现在孤立的量子点上;在试制的光伏发电装置中,量子点技术的特性则不够明显(困难在于太阳能电池工作时,其电子会脱离半导体而进入外部电路)。光伏电池所释放出的一部分电子会不可避免地“丢失”,被半导体中的空穴所捕捉。在量子点技术中,这种捕捉效应会更加明显(相对于大件半导体而言),许多释放出的电子马上就会被吞噬。
诺基克团队研制的太阳能电池的转换效率只有2%,远低于实用装置的要求。然而,该团队希望通过调整量子点的界面或是改进点与点之间的电子传输来提升效率。
诺基克也坦承该技术短时期内可能无法盈利,但他认为,基于量子点技术的光伏装置的最高效率可以达到42%,远优于硅基电池的31%。
在理论上,量子点聚合材料的发电能力在经济上可与燃煤发电媲美。诺基克说“:如果你能做到这一点,那么你将有机会去斯德哥尔摩(领取诺贝尔奖)——它将是革命性的。”