溶液處理的半導(dǎo)體，包括鈣鈦礦和量子點(diǎn)等材料（即，在量子尺寸范圍內(nèi)的小顆粒），是電導(dǎo)率介于絕緣體和大多數(shù)金屬之間的物質(zhì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種類型的半導(dǎo)體對于開發(fā)性能良好且制造成本低的新型光電子器件特別有前途。最近，一些研究強(qiáng)調(diào)了通過結(jié)合膠體量子點(diǎn)（CQD），可以收集紅外光子的納米粒子和有機(jī)發(fā)色團(tuán)（吸收可見光光子并賦予分子顏色的分子部分）來制造半導(dǎo)體的優(yōu)勢。盡管如此，到目前為止，由于不同組分之間的化學(xué)不匹配以及在實(shí)現(xiàn)電荷收集方面的挑戰(zhàn)，基于CQD和發(fā)色團(tuán)的混合光伏僅實(shí)現(xiàn)了低于10％的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
多倫多大學(xué)和韓國KAIST的研究人員最近開發(fā)了一種混合體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)通過將小分子引入CQD ／有機(jī)堆疊結(jié)構(gòu)中而克服了這些限制。Se－Woong Baek表示：“ 這項(xiàng)研究的第一個挑戰(zhàn)是將膠體量子點(diǎn)CQD的寬光吸收帶的優(yōu)勢與有機(jī)分子的強(qiáng)（但較窄）吸收系數(shù)相結(jié)合，以創(chuàng)建更高性能的光伏平臺。”
研究人員從大約二十年前在伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究小組進(jìn)行的一項(xiàng)研究中汲取了靈感，該研究表明了使用半導(dǎo)體納米棒和聚合物制造混合太陽能電池的潛力。盡管伯克利實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)和其他幾個團(tuán)隊(duì)試圖將有機(jī)分子與膠體量子點(diǎn)CQD結(jié)合起來，但是Baek和他的同事們認(rèn)為這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠浠旌霞軜?gòu)所實(shí)現(xiàn)的器件性能低于典型的有機(jī)或僅膠體量子點(diǎn)CQD的半導(dǎo)體。因此，他們著手進(jìn)一步研究膠體量子點(diǎn)CQD ／有機(jī)半導(dǎo)體的潛力，試圖克服以前開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)的局限性。
為了使太陽能電池性能良好，它們應(yīng)該能夠最大程度地吸收光并將其有效地轉(zhuǎn)換為電流。Baek和他的同事開發(fā)的混合太陽能電池有一個小分子橋，可補(bǔ)充膠體量子點(diǎn)CQD吸收，進(jìn)而與主體聚合物形成一個激子級聯(lián)。與其他混合架構(gòu)相比，這導(dǎo)致了更有效的能量傳輸。
Baek解釋說：“我們開發(fā)的結(jié)構(gòu)可以通過一個附加的有機(jī)層實(shí)現(xiàn)高的光收集效率，該有機(jī)層的背面具有很強(qiáng)的吸收系數(shù)，而CQD在其正面附近具有一次寬帶吸收。” “所得太陽能電池的最大優(yōu)勢在于，它們使我們能夠通過調(diào)整CQD的大小并將其與合適的有機(jī)分子結(jié)合來編程CQD的光響應(yīng)。”
與其他類型的混合太陽能電池相比，Baek和他的同事開發(fā)的太陽能電池獨(dú)特的結(jié)構(gòu)允許在編程功能方面具有更大的自由度。另外，它允許太陽能電池在更長的連續(xù)操作周期內(nèi)保持良好的效率。
Baek說：“以前的許多研究都報道了通過CQD和聚合物的結(jié)合，吸收率很高，但由于電荷提取效率低，它們的性能較差。” “通過將第三種成分（小分子橋）引入CQD ／聚合物雜化結(jié)構(gòu)，我們揭示了促進(jìn)電荷提取和吸收從而改善PCE的潛在機(jī)理。“
將來，這些太陽能電池可用于制造既使用量子點(diǎn)又使用發(fā)色團(tuán)的光伏面板，但其效率要高于先前開發(fā)的混合體系結(jié)構(gòu)中觀察到的效率。到目前為止，他們提出的CQD有機(jī)結(jié)構(gòu)具有高達(dá)1100納米的吸收帶。因此，在他們的下一個研究中，他們希望調(diào)整結(jié)構(gòu)或開發(fā)其他混合結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更寬的吸收帶。
“最終，該結(jié)構(gòu)可以與實(shí)際的高帶隙的鈣鈦礦組合太陽能電池，例如，通過設(shè)計(jì)一個后電池平臺為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其能夠增強(qiáng)吸收的近紅外波段，其中鈣鈦礦不吸收的，Baek說。從理論上講，當(dāng)我們將混合結(jié)構(gòu)作為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的后電池時，鈣鈦礦太陽能電池的效率可以提高15％。”