太阳能的一个缺点是，尽管它免费、清洁、取之不尽，但高效利用却是一项重大挑战。想想当阳光的光子撞击太阳能电池时会发生什么：它们撞击半导体材料中的电子，并将其作为电流送走。虽然许多太阳光子携带的能量足以在理论上释放出几个电子，但它们几乎从不会释放出一个以上的电子。
这一限制背后的复杂物理原理可以归结为：吸收光子后释放的电子经常会与附近的原子发生碰撞。但当发生碰撞时，它不太可能释放另一个电子，而更有可能产生原子振动，从而将电子的多余能量浪费在热量上。
在过去的半个世纪里，每个太阳光子只能释放一个电子，这似乎是半导体物理学中令人遗憾的事实。然而，在最近对直径只有几纳米的半导体比特（称为纳米晶体或量子点）进行的测试中，研究人员惊讶地发现，太阳能量级的光子通常会释放多个电子。
释放的电子数取决于量子点的成分，以及量子力学的一个怪癖——量子点的尺寸。最近对 8 纳米直径的硒化铅量子点进行的实验取得了迄今为止最好的结果：紫外光子（尽管波长在阳光中很少见）每个都释放了七个电子。
研究人员表示，电子产生量的飞跃可能会大大提高太阳能电池的效率，前提是这些电子可以从电池中获取。到目前为止，原型太阳能电池和光电探测器的证据表明，新发现的效应确实可以提高电池的功率输出。
洛斯阿拉莫斯 (NM) 国家实验室的 Richard D. Schaller 表示：“认为这种 [倍增效应] 能给太阳能电池设备带来真正的好处并非只是白日梦。”其他可能受益的技术包括以其他材料无法达到的有用波长工作的激光器，以及为燃料电池生产氢气的太阳能水分离器（SN：10/30/04，第 282 页：订阅者可访问太阳能氢能）。
尽管新效应的实际潜力显而易见，但太阳光子产生如此多电子的方式却不甚明了。在激烈的争论中，一些科学家认为，每个量子点中必定会短暂地形成一种以前从未见过的量子力学实体。另一些人则认为，一个已经很好理解的过程可以解释多电子输出。
科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室 (NREL) 的 Arthur J. Nozik 表示：“令人兴奋的是这个意想不到的结果。这是非常有趣的新物理学。”
大小事项
在电气领域，半导体处于绝缘体和导体之间的中间位置。绝缘体的原子紧紧束缚着电子，而导体原子则让这些带负电的粒子自由游走。相比之下，半导体原子会束缚住电子，直到获得少量能量提升。然后，电子就可以作为电流流动。
如果光子撞击半导体中的电子，其能量超过阈值能量（即材料的带隙能量），电子就会脱离。它会在原子的电子结构中留下一个空位，即所谓的空穴。光子产生的每个自由电子-空穴对都称为激子。
尽管太阳能专家观察到光子撞击电池中的半导体时会产生一个光子一个激子，但物理学家早在 20 世纪 50 年代就知道，能量高得多的光子可以产生多个激子。例如，他们观察到 X 射线光子会在半导体材料中引发大量激子。
科学家还确定，这种多激子产生是通过一种称为碰撞电离的过程进行的。粗略地说，激子中的电子撞击原子上的电子，产生另一个激子。如果新形成的激子中剩余足够的过剩能量，它的电子可以产生另一个激子，依此类推。然而，诺齐克指出，在太阳光子相对较低的能量下，与电子运动相关的微妙之处在很大程度上阻止了激子到电子的能量转移，因此只会发生微不足道的碰撞电离。
量子点于 20 世纪 70 年代首次被制成，它还引入了另一个因素：尺寸。在量子点问世之前，研究人员只知道当光照射到较大的半导体片（如晶体管或微芯片）时会发生什么。
量子力学认为电子具有波状特性，这种特性在电子点的微小尺寸下也能体现出来。例如，电子点的带隙能量比相同体积的半导体材料大，因此电子点吸收的能量更高，蓝光也更蓝。此外，由于电子点的直径通常与内部电子的波长一样小，电子点会固定住电子。
大约十年前，诺齐克开始怀疑量子点的微小尺寸可能使碰撞电离在太阳辐射能量下成为富有成效的过程。例如，他认为量子点对电子的束缚将抵消与运动相关的细微差别，而这些细微差别会在较大尺度上抑制这一过程。因此，他和他的团队开始在磷化铟和砷化铟量子点中寻找激子增强。
七上
事实证明，诺齐克团队的重点错了。然而，在洛斯阿拉莫斯，夏勒和维克多·克里莫夫已经开始研究硒化铅纳米晶体作为激光器的潜在成分。
当这些研究人员观察高能蓝光的影响时，他们发现了太阳能光子可以产生不止一个激子的第一个证据。在 2004 年的一份报告中，洛斯阿拉莫斯物理学家报告说，光子可以在硒化铅量子点中产生多达三个激子（SN：4/24/04，第 259 页：光子双重打击：倾斜的电子可能会加速太阳能电池）。
大约一年后，诺齐克、国家可再生能源实验室的兰迪·J·埃林森及其同事改变了思路，证实了洛斯阿拉莫斯的发现。他们还首次发现了另一种量子点（由硫化铅制成）中存在多个激子的证据。
洛斯阿拉莫斯的研究人员很好奇这种效应是否只存在于铅基量子点中，于是他们测试了一种电子结构截然不同的量子点。2005 年 12 月 19 日应用物理快报他们报告称有迹象表明硒化镉点各自产生了两个激子。
芝加哥大学物理化学家 Philippe Guyot-Sionnest 评论道：“他们能够在这种材料中看到 [多个激子]，这一事实表明，这种情况可能发生在所有量子点中。”
NREL 研究人员在 3 月 15 日的报告中报告了他们对铅基点的研究进展美国化学会志碲化铅点可从单个太阳能光子中产生多达三个激子。目前，洛斯阿拉莫斯的研究人员正在研究碲化镉纳米晶体。
在 3 月份报告的对硒化铅点的进一步研究中纳米字母，洛斯阿拉莫斯研究小组有证据表明，一些紫外线光子可以分别引发七个激子。该团队声称，甚至可能引发更大的激子。
理论上，光子产生的激子数量等于光子能量除以点的带隙能量。这是因为光子必须向从原子中脱离的每个电子传递相当于一个带隙的能量。克里莫夫解释说，使用带隙较小的点会增加预期的激子数量，因为将每个电子推过阈值所需的能量较少。
然而，在实践中，诸如电子和空穴之间光子能量分布等效应要求光子具有比产生特定数量激子所需的假设能量更多的能量。例如，NREL 团队发现，在硒化铅点中，光子必须具有至少两个半带隙的能量才能产生两个激子。洛斯阿拉莫斯的测试表明，至少需要三个带隙。
不管到底需要多少光子能量，太阳能电池中哪怕是最适度的提升——比如每个光子两个激子——“都将是一个重大的成就”，诺齐克说。
快速提问
量子点效应的证据越来越多，引发了争论。争论的焦点是：撞击电离能解释正在发生的事情吗？还是有某种以前未知的、更令人兴奋的东西在起作用？“目前，理论领域有很多争论，”克里莫夫指出。
在克里莫夫的测试和 NREL 的实验中，这个过程似乎是瞬时的，因为多个激子出现得非常快——不到 50 飞秒 (fs)，即万亿分之一秒。然而，碰撞电离是按顺序进行的。也就是说，在一个光子产生第一个激子后，该激子会产生第二个激子，而第二个激子又会产生第三个激子，依此类推。这个循序渐进的过程能在不到 50 fs 的时间内产生七个激子吗？
华盛顿特区海军研究实验室的理论家亚历山大·L·埃弗罗斯认为不是。埃弗罗斯与诺齐克的团队合作，援引量子理论提出，光子撞击量子点会瞬间产生一个新的量子物体，它同时是一个激子和多个激子。
俄罗斯科学院的理论家弗拉基米尔·M·阿格拉诺维奇与克里莫夫和夏勒合作，提出了一个不那么奇特的解释，认为光子撞击后，一个所谓的虚拟激子会瞬间出现。虚拟激子会短暂地获得比物理学通常允许的更多的能量，同时产生多个激子——这是物理学家在 2005 年 12 月的一篇文章中描述的情景自然物理。
国家可再生能源实验室 (NREL) 理论家亚历克斯·宗格 (Alex Zunger) 不同意这种非同寻常的情形，但他表示，其团队的计算表明，碰撞电离可以解释实验结果。
法国里尔电子、微电子和纳米技术研究所的理论家 Guy Allan 表示，也许是，也许不是。他说，产生一个新激子仅需 0.1 fs，因此 50 fs 的时间足以产生七个或更多激子。
但他补充说，他和同事 Christophe Delerue 的计算表明，碰撞电离产生的每个光子会产生几个激子，但数量不如量子点中观察到的最大值。Allan 说：“可能还有另一种过程有待发现。”
变得疯狂
科学家表示，如果神秘的多激子效应在实际设备中得以实现，太阳能电池的效率将大幅提升。洛斯阿拉莫斯和国家可再生能源实验室的团队都计算出，太阳能转化为可用电能的最大转化率为 42%。相比之下，传统电池的效率仅为 15% 至 20%。
一些研究人员已经用量子点制作了原型光电探测器和太阳能电池。例如，路易斯安那理工大学的 Difei Qi 和她的同事将一种导电的感光聚合物（称为 MEH-PPV）与硒化铅量子点混合。路易斯安那团队在 2005 年 2 月 28 日的一份报告中报告称，在可见光下，如果每个光子产生一个激子，那么仅包含约 5% 重量的量子点的设备产生的电流比预期高出 50%。应用物理快报。
最近，德克萨斯州的一个研究小组与克里莫夫和夏勒合作，通过将直径为 8 纳米的硒化铅量子点与另一种导电聚合物聚噻吩混合，制成了实验性太阳能电池。得克萨斯大学达拉斯分校理查森分校的安瓦尔·扎基多夫 (Anvar A. Zakhidov) 说：“我们看到光电流在带隙能量的三倍时急剧增加。”去年 3 月，他在巴尔的摩举行的美国物理学会会议上报告说，电流的增加表明光子正在产生多个激子。
尽管有这些令人鼓舞的迹象，但在高效太阳能电池出现之前“还有很多工作要做”，诺齐克警告说。
克里莫夫表示，产生额外的激子可能还会对利用太阳能分解水以提取氢用于各种用途的设备产生重大影响——例如，为燃料电池提供能量。他指出，每个水分解反应都需要四个电子，因此每个太阳光子中的电子越多越好。
科学家利用量子点制造出天然染料或晶体无法产生的波长的激光束。激子产率的提高也可以提高此类激光器的效率。
效率可能成为许多量子点技术的标志。随着油价飙升至创纪录水平，节约能源的量子点有望让太阳能更具吸引力。
