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量子点为什么会发生“闪烁现象”?

来源: 光伏能源网 发布于:2023-10-25 10:37:56

量子点为什么会发生“闪烁现象”?

量子点是半导体的纳米颗粒,可以调成彩虹的颜色。自从20世纪80年代他们发现纳米颗粒以来,这些纳米颗粒就展现了其应用于各种新技术的诱人前景,包括漂白照明材料、太阳能电池量子计算机芯片、生物标记,甚至激光和通信技术。

但是存在一个问题:量子点经常闪烁。

这种科学家所谓的荧光间歇性,抑制了量子点许多潜在的应用领域。可疑的光源不能使激光和逻辑门正常工作。量子点能吸收特定颜色的光,但由于闪烁背后的机制,它们不能消迅有效地在光电上吸收阳光。

芝加哥大学(University of Chicago)的科学家在国家能源研究科学计算中心(National Energy Research Scientific Computing Center,NERSC)进行了相关计算,它们使用模拟硅量子点探索硅量子点中神陪桥脊秘的闪烁原理。相关结果于2015年2月28号发表在了Nanoscale上,这促进了科学家们对其中原理的进一步了解,并可能有助于决相关问题。

量子点,即所谓的纳米晶体、纳米粒子和纳米点,具备其他粒子不具备的良好芦渗性质。

如果激发量子点,它会发出一个特定颜色的光。可以通过调节原子的不同宽度,使其发出不同的颜色光。点越小,光的颜色越蓝;点越大,光的颜色越红。通过调整量子点,使其吸收特定波长的光,这个特性可以用于太阳能电池。

相比之下,大部分半导体的分子结构决定了发出和吸收光的颜色(或能量)。所以,由某种材料制成的发光二极管(LED)可能发出绿光也可能发出红光。要得到不同的颜色,必须使用不同的材料。同样,太阳能电池使用不同的材料层来捕获各种波长的光。

那么,为什么半导体纳米晶体的性能与相同材料的更大晶格会有很大不同?原因在于大小。人造的晶体只包含少量的原子,量子点很小,以至于他们只存在于牛顿物理学和量子之间的模糊地带,有时会违背这样或者那样的定律,从而产生不同的效果。

尽管大部分的晶体半导体会失去和重获电子(这就是它们的充电过程),量子点的电子仍会束缚在量子点内部,这种状态被称为量子约束。当量子点的电子与光相互作用时,他们会产生一个过渡并跳(量子方式)到其他状态,这种状态在正常情况下是不会产生的。最小跳的能量叫做能量差,这样的差距可以摆脱多余能量的电子,跳跃到低能量状态时,理想状态下会以光的形式(或光伏发电)释放能量。因此,材料的半径决定这些点可以吸收和释放的能量。

为了研究闪烁实质,该团队使用涂有二氧化硅的模拟硅(Si)纳米颗粒,并配置了各种缺陷。从三种不同的潜在缺陷状态入手,他们在Hopper超级计算机上利用量子咖啡科学包(克雷XE6)计算氧化硅纳米颗粒的光学和电子特性。

为了进行计算,研究小组首先构建了虚拟模型。他们计算了晶体硅氧化物(SiO)矩阵和插入不同大小的硅量子点中雕刻虚拟孔的数量,计算退火和冷却周期,来创建量子点和SiO矩阵之间更现实的接口。最后,通过删除所选定的几个原子,引进了在量子点表面的悬空键缺陷。

有时一个电子可以束缚在材料中,使一个点可以被嵌入,硅在这种情况下给点正电荷。只有当电子仍然被困在纳米点表蚂掘正面且使它带正电或者负电时,它才会衰退,而且不会辐射光。芝加哥大学研究生Nicholas P. Brawand(论文作者之一)表示:所以,当点带正电时才会发光。当它呈中性或者负电时,我们希望它呈暗状态。

闪烁状态之外。

为了得到研究结果,研究人员闷悔必须制定量子点的现实基本模型,利用科学原理计算它们的属性,即科学家所谓的ab intio(拉丁语基础)计算。对于Hopper来说,这些计算需要10万小时以上的处理时间。Vrs表示:得到这些结论需要必要的计算。没有国家能源研究科学计算中心的资源,我们不能完成这些工作。

芝加哥大学分子工程研究所电子结构和模拟部门的Liew家庭教授Giulia Galli(论文作者之一)表示:我们的结果是第一次利用基础计算方法证明纳米硅粒子表面的悬挂键可以散陵充当高效无辐射复合中心的作用。我们的结果充分验证了悬空键缺陷在部分光子和光电设备中的作用。

此外,研究人员的技术可以用来解决太阳能电池中的缺陷。Vrs表示:捕获导致闪烁的微小物理机制,会限制太阳能电池的效率。

量子点的闪烁不是随机进行的(遵梁档循幂次法则),但它也不是可以预测的。因此,单个粒子变黑的时间有时会持续几纳秒或几分钟,或者介于两者之间。

研究合作人员、芝加橡凳乱哥大学的博士后Mrton Vrs表示,科学家对闪烁的原因有几种猜想,但不能确定真正原因。

Vrs在国家能源研究科学计算中心进行过相关计算,他表示:粗肢对于这个表面缺陷存在这样的观点,例如纳米晶体表面的悬空键,可以束缚电子,从而导致光并但是仍然缺乏一个完整的理解。

光伏产业对人体危害?

光伏技术在提高电池的转换效率和扩大消费需求方面都出现了明显的进展,从而比以前有了更多的产品选择和应用。新的晶硅光伏电池的替代品已经出现,包括用铸造硅片来代替普通硅棒的切割方法以及薄膜电池(CdTe,CIGS,非晶硅和微晶硅),聚光型光伏电池,镀银电池和连续印制电池等。但是光伏技术方面的进步同样在制造和研发的过程中引发了大量新的化学和物理危害,需要有适当的工程,管理和个人控制防护措施来减小对员睁颂工们的潜在危害。 光伏电池的制造和研发,在生产和维修过程中会产生各种各样的与化学品相关的危害人体安全的因素:如接触各种自燃,易燃或有毒气体,包括有硅烷,磷,联氨,氢气,氨水和砷化氢,因为它们的作用是在反应腔体中进行淀积,掺杂,以及进行其他的相关工艺。工人们暴露于化学品中及收到化学品伤害在存储,装卸和运输这些气体的过程中是普遍存在的。由于这些化学品本身的危害性和潜在的灾难性与它们的释放或暴露相关,因此在工程设计阶段必须包括详细的工艺危害分析(PHA)。在美国,储存在设备中的化学物品的类型和数量可能会触及职业安全与卫生署(OSHA)的工艺安全管理标准或者美国环境保护局(USEPA)联邦事故预防( FedARP )所要求的规范。工人在用沉积金属(如:砷,镉,铜,铟,镓,硒)切割和在太阳能电池片上划线的过程中可能会吸入该工艺所产生的金属粉尘与空气的混合物。如果没有通过工艺围栏或者通风,适当地加以保护控制,空气中的金属粉尘可能会落在仪器、工件表面及地板上,引起像工人摄入危害物的潜在的交叉污染问题。控制切割及划线过程中粉尘的排放都要求对于工艺有适当的评估,安装围栏及通风控制(如果有需要的话),这样才能确保工人的接触量低于合理的规定值。纳米粒子应用于光伏制造业中,如悬浮在墨水,纳米线及镀银电池里的那些量子点,它是由各种化学品如镉,硅,碲化镉和硒化镉组成。处理原始形式的纳米粒子会导致吸入性和/或肌肤性危害。这些纳米级的粒子可能与同种材料但较大的粒子在属性方面有显著的差异,包括在人体内的流动性,在某些器官内的生物蓄积性和毒理学的反应。在生产制造中基碧,过去常常使用各种腐蚀性化学品来蚀刻和清洁太阳能光伏组件,包括盐酸,氢氟酸,磷酸,和氢氧化钠。适当的通风控制,员工培训,并使用个人防护设备(如手套,护目镜,面罩等)是必要的,以避免吸入气体和/或皮肤接触。在CIS和CIGS (铜,铟,镓,硒)薄膜太阳能电池的生产中,常常采用人工来清洁反应腔体和其他生产设备,导致了暴露于反应腔体内的沉积物和反应残留物的可能性。因此,接触控制,如排气通风管、高效吸尘器的使用及防毒面具是有必要的,以此来尽量减少工人吸入性接触。在光伏的制造和研发的过程中使用了大量的化学物质,其中一些是在有限的毒理性数据下可用或者并没有规定在空气中接触的限值。由于暂时缺乏足够的毒理学数据和职业接触物建议性限值,光伏制造商应采用工程控制,行政惯例和个人防护设备的强有力搏早举的结合,以减少工人在生产过程和相关的维护中有害物质的接触量。物理危害的总结除了与化学品相关的危害人体安全的因素外,光伏制造和研发在生产和维护中也存在着大量物理安全因素:维护,清洁,调整和/或设备的修理时会出现暴露于各种危险能源的可能性---电力,液压,机械等等。因此要严格执行有害能源的操作规范和进行良好的培训是至关重要的,以避免潜在的电击,截肢,或压碎受伤。在传送带或其他生产装置上的接触带,轮毂,以及其他旋转设备需要有适当的防范措施,防止生产和维修工人意外接触。必须正确使用手提式电动工具来加工零件和进行预防性维护等等,以避免伤害。人工物料输送及装卸设备等,可能导致严重的扭伤,拉伤和其他肌肉骨骼损伤。可以使用输送系统,起重机和提升设备,托盘推车,推车等,以尽量减少这些伤害。运输工具如铲车,托盘推车,以及其它装卸设备可能会导致撞击性伤害。所以培训操作员,遵守重工业车辆标准和良好的培训是很有必要的。在人行道和常规的工作区域内不能凌乱或者堆放材料物品,往往会导致工人滑倒和受伤,要保持通道的整洁,这也是很容易做到的太阳能光伏技术已经引进了许多新的生产和研发工艺,但也出现了一系列的化学和物理危害,这就需要小心谨慎,使用环境安全及健康的设计办法,做好前期规划,建立一个强有力的设备安装及安全签收的过程,主动地管理重点在发展和支持一个强有力的环境与人的安全的文化,以确保适当地控制在生产工艺和维护过程中出现的化学和物理危害。将环境与人的安全综合纳入企业从设计到产品回收的过程中,将有助于改善员工的士气和忠诚度,减少事故发生,也能为最少的财政开支做出贡献。

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不仿族宴会穗滚的!说个现实情况,就是有些屋顶因为安装光伏板不规范,会出现备银漏水的问题,这个是最大的危害了,其他方面户用光伏电站没有什么危害。

所以,施工方面一定要找靠谱的人啊~

比如像碳银光伏,都有一套根据不同屋顶情况定制的施工标准,不达标就会要求施工方整改到合格为止,还是比较值得信赖的

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