一种非线性关系的发现——有望实现光电转换材料性能的全面提升 |前沿用户报道

编辑| 朱莹

润色| Norah、Sophie

校阅| 孙平、Lucy、Joanna

近来，纳米光电转换材料成为研究热点。相比于传统的硅基太阳能电池，它具有吸收光谱范围可调节、理论上更高的能量转换效率、更长的使用寿命等等优势。因此纳米光电转换材料不仅常用在一些光电器件如晶体管、LED灯中，也被用于太阳能电池中以提高电池的光电转换效率。

然而，纳米光电转换材料的物理、化学、电子学性质对总体功能的影响目前尚不完全清楚，这限制了其在太阳能领域的应用。好在目前学界对纳米光电材料的研究颇多，贾斯汀·桑伯(Justin Sambur)博士就是其中一员。作为美国科罗拉多州立大学自然科学学院一名化学助理教授，他所在团队专注于研究纳米光电转换材料结构与性能的关系，以期利用纳米光电转换材料这一低成本材料，为人类提供廉价持久环保的新能源。

本次《前沿用户报道》栏目就将带领大家，了解桑伯博士在纳米光电转换材料方面的研究成果。

贾斯汀·桑伯 (Justin Sambur) 博士

科罗拉多州立大学自然科学学院化学助理教授

通过以往的研究，人们已经知道纳米光电转换材料在某些情况下会表现出高效的载流子倍增性能，也就是说一个光子激发后可以产生出两个电子，电池实际上得到了两倍的电流，即载流子倍增效应。可以想象，如果将载流子倍增效应应用到光电器件中，就可极大提高太阳能转换效率。

那么，如何提升载流子倍增效应呢？桑伯博士团队发现目前很多光电转换材料，例如应用在LED、太阳能电池和晶体管中的材料，它们具有不同的形状、大小和厚度，性能也有所差异。桑伯博士团队就猜想，载流子倍增效应的强弱会不会与材料自身的结构（如形状/大小/厚度）等参数有关联呢？

通过长期深入的研究，他们最终发现这之间确实存在关系。那么，究竟是怎样的关系呢？接下来让我们一起来看看~

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为探索纳米光电转换材料本身的结构是否会对材料性能产生影响，桑伯博士团队利用HORIBA SMS系统对材料展开了研究。他们把材料层的厚度与对激发效果的影响进行关联，发现当研究深入至单层或三个原子厚时，厚度和能量转换效率之间存在非线性关系。

这种非线性关系的发现，将大大有助于帮助研究人员找到设计和优化太阳能转换材料的新突破，比如提高其转换效率，或者研究如何使材料更薄。而这些研究都会对导体器件的制备产生积极影响，如超薄显示设备的制备，或者应用在太空轻量级光伏中。想象一下，当这一材料应用在制备超薄设备时，你的手机屏幕很有可能变得非常薄非常薄，甚至能够折叠，想想是不是都很炫酷呢？

桑伯博士表示，虽然这项研究只是基础研究，意义却很重大，它不仅为提高太阳能转换效率提供了思路，也能为电子设备领域的研究提供基础数据。

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看到这里我们已经了解桑伯博士的研究重点，可能有读者会问，博士的这些研究都是如何完成的？这些材料性质的表征又是如何进行的呢？

在该研究中，桑伯博士团队使用的是HORIBA定制化显微光谱测量系统(SMS)。该系统是一台基于奥林巴斯 IX-73 倒置显微镜定制的多功能光谱测量系统，它可以将多种分析技术（包括拉曼光谱，光致发光，反射率和光电流）添加到显微镜平台上。同时，SMS系统还配有多种光源和探测器，还有专门的光谱和广域成像系统，能够处理多种任务。

桑伯博士在使用SMS系统测试样品的过程中，可以在成像相机上直接看到样品，进而可以对感兴趣的特定区域快速定位并直接进行光谱测量，此外，SMS还可以在成像和光谱模式之间进行快速切换，这大大提升了本次研究的效率。

以上就是我们了解到的桑伯博士的团队在超薄纳米光电材料方面做的相关研究。在光电转换领域，国内外还有很多科研团队也在为提高转换效率而努力工作，这些研究工作都有一个相同的目标，就是解决纳米光电材料的制备、生产、光电转换性能等难题，最终实现商业化。

或许这个人类已知的最小材料，未来能够帮助解决我们面临的最大问题之一——能源危机，我们可以期待一下。但是，无论材料能否堪当大任，我们人类也应该继续保持低碳生活、节约能源，为解决能源危机尽自己的一份力量。

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