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美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员开发了一种新型光电化学电池，该电池能捕获产生热量损失的光子能量并加以利用。NREL的研究人员利用量子点（QD）与多重激子产生（MEG）效应，将氢气产生过程中外量子效率的峰值提升到了114%。该新型电池能够利用阳光对水进行分解，不仅能显著促进氢的产生，且比目前的光电化学方法效率更高、成本更低。 图为NREL研究人员研发的硫化铅量子点太阳能电池 研究人员Matthew Beard表示：“该研究与传统方式的主要区别在于，除了在电流中，我们还捕获了化学键中的多重激子产生增强效应。我们证明了在太阳能电池产生额外电流的同时也可以产生额外的化学反应或将能量储存在化学键中。” 太阳能电池的最大转换效率理论上取决于能够将多少光能转化为可用的电能，超过半导体吸收带的光子能量将转化为热能而损失掉。多重激子产生效应利用额外的光能产生更多的电子，从而增加更多的化学能或电能。其本质为球形半导体纳米晶体（直径为2-10nm）的量子点增强了多重激子产生效应。该研究成果将量子点内由多重激子产生效应产生的多个电子或电荷载体捕获并存储在H2分子的化学键中。 研究人员Yong Yan说：“将太阳能转化为储能、燃料及其他原料，特别是解决温室气体排放的问题，一直是太阳能发电领域的主要目标之一。提高太阳能转化率是直接影响太阳能电池覆盖面积并最终影响系统成本的关键技术。影响太阳能转化效率的主要因素为，能量大于半导体带隙的光子产生的热载流子随着声子散射过程而被释放。” “量子点中的多重激子产生效应将吸收高能光子产生的热载流子，并通过生成电子空穴对（激子）进行冷却，而非通过热量而散发，因此克服了部分由产生热能而带来的能量损失。因此，在某些特定波段，生成的热载流子能量足以产生多重激子产生效应，从而导致量子效率大于100%。” NREL的研究人员设计了一种基于硫化铅（PbS）量子点光电阳极的电池。该系统有两个分开的电极：其中一个是沉积在二氧化钛或掺氟氧化锡电介质叠层上的导电PbS量子点层，另一个电极是不暴露在光中的铂（Pt）网。光被光阳极的量子点层吸收并产生自由电子及空穴。在电解质溶液与量子点层的表面上，光生空穴与硫化物发生氧化反应产生电子(nS2− + 2(n − 1)h+ → Sn2−)，电子移动到铂电极并将H+还原为H2 (2H+ + 2e− → H2)。总的化学反应是硫化氢（H2S）变成了氢气（H2）和硫（S）。 这种方法由多余电子驱动的化学反应，为探索太阳能燃料的高效率方法奠定了新的方向。 图为光电池装置示意图 该研究基金来源于美国能源部科学办公室。 “Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%”. Yong Yan, Ryan W. Crisp, Jing Gu, Boris D. Chernomordik, Gregory F. Pach, Ashley R. Marshall, John A. Turner & Matthew C. Beard. Nature Energy. 2017. doi:10.1038/nenergy.2017.52
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