33578ea8eb86f3c2b4b81e7c9ce5785c 量子點材料被視為非自發光類型面板對付 OLED 的關鍵,因為多色 LED 難以微型化的缺點,可利用量子點補足。鈣鈦礦結構近年來也是十分受到重視的光電材料,其光吸收率和電子遷移率之高,快速提升太陽能板的光電轉換效率。

量子點已於我們的文章中出現多次,因為體積小的關係放大量子侷限效應的影響,電子從較高的能量態勢退回至穩定態時,將以光的方式釋放能量,其光的波長頻率和量子點大小有關,控制量子點的尺寸就能夠控制光的顏色,因此可利用此特性製造出液晶螢幕所需的背光。

人們在 19 世紀時於礦石中發現鈣鈦礦,化學式為 CaTiO3,其結構為 8 顆鈣原子形成 6 面體,每個面中央再由 1 顆氧原子形成 8 面體,正中間則住著 1 顆鈦原子。後來鈣鈦礦則被當作所有具有此晶體結構的統稱,通式 ABX3,A、B 為陽離子、X 為陰離子,鈣鈦礦又可因組成比例稱為 113 結構。


▲鈣鈦礦的結構。(圖片取自維基百科)

直到 2009 年開始,人們才意識到鈣鈦礦在光電材料中的應用,其對於光線的吸收效果,以及電荷遷移能力,相當適合作為太陽能面板中的吸光材料使用。理論上可達 50% 的光電轉換效率,目前可實際製造出接近 20% 效率的太陽能面板。

多倫多大學內部研究團隊則是將鈣鈦礦包圍量子點,利用鈣鈦礦更有效率的傳遞電子給內部的量子點,目前已可製造發出近紅外線光的材料。近紅外光的應用面在於手勢辨識、夜視加強、生技醫療、資訊傳輸等領域,都有望獲得更有效率的光源。

於製造長晶的過程中,難處在於該如何把這 2 種截然不同的東西結合在一起。研究團隊在量子點的周圍建立起奈米等級的「鷹架」,此鷹架能夠讓量子點和鈣鈦礦的原子終端很好的結合在一起,讓 2 種不同物質可以面對面對齊。


▲鈣鈦礦包覆量子點的發光情形。(作者 Ella Marushchenko)

此外結合 2 種物體也有好處,就是能夠降低發光體自我吸收的影響。所謂自我吸收,就是發光體本身也會吸收掉部分自己所發出的光, 將導致發光效率下降。而利用鈣鈦礦包圍量子點,量子點發出的光剛好不和鈣鈦礦的吸收頻譜重疊,從而避免量子點再度吸收自發光。團隊接下來的挑戰就是實際製造出 LED,且有望挑戰目前的 LED 發光效率。

資料來源:

Two Great Photovoltaic Materials Brought Together Make Better LEDs

Engineered hybrid crystal opens new frontiers for high-efficiency lighting

太陽光電產業的新星—鈣鈦礦太陽能電池

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