量子點太陽能電池簡介

1、量子點太陽能電池簡介摘要：量子點太陽能電池是第三代太陽能電池，也是目前最尖端、最新的太陽能電池之一，這種電池在使用半導(dǎo)體材料的普通太陽能電池之中，引入了納米技術(shù)與量子力學(xué)理論，盡管目前尚沒有制作出這種超高轉(zhuǎn)換效率的實用化太陽能電池，但是大量的理論計算和實驗研究已經(jīng)證實，量子點太陽能電池將會在未來的太陽能轉(zhuǎn)換中顯示出巨大的發(fā)展前景。簡述了量子點太陽能電池的物理機理及研究內(nèi)容。關(guān)鍵詞：量子點，太陽能電池，機理隨著人類面臨的環(huán)境與能源問題的持續(xù)惡化，加強環(huán)境保護和開發(fā)清潔能源是人類高度關(guān)注的焦點。因此，近年來人們對太陽能開發(fā)和利用的研究進展極為迅速。作為一種重要的光電能量轉(zhuǎn)換器件，太陽能電池的研究一

2、直受到人們的熱切關(guān)注。太陽能電池可以分為兩大類：一類是基于半導(dǎo)體p-n結(jié)中載流子輸運過程的無機固態(tài)太陽能電池；另一類則是基于有機分子材料中光電子化學(xué)過程的光電化學(xué)太陽能電池。單晶GaAs太陽能電池、晶體Si太陽能電池和Si基薄膜太陽能電池屬于第一類，而染料敏化太陽能電池和聚合物太陽能電池屬于第二類。第一類太陽能電池已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化或商業(yè)化，而第二類太陽能電池正處于研究與開發(fā)之中。目前太陽能電池存在能耗高、光電轉(zhuǎn)換效率低等缺點。盡管人們已采用各種方法使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率得到了一定改善，但尚不能使其大幅度提高。找到一種更有效的途徑或?qū)Σ?，使太陽能電池的實際能量轉(zhuǎn)換效率接近其理論預(yù)測值，成為材料物理、光

3、伏器件與能源科學(xué)的一項重大課題。量子點是指三維方向尺寸均小于相應(yīng)物質(zhì)塊體材料激子的德布羅意波長的納米結(jié)構(gòu)。理論研究指出，采用具有顯著量子限制效應(yīng)和分立光譜特性的量子點作為有源區(qū)設(shè)計和制作的量子點太陽能電池，可以使其能量轉(zhuǎn)換效率獲得超乎尋常的提高，其極限值可以達到66左右，而目前太陽能電池的主流晶體硅技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換效率理論上最多僅為30。盡管目前尚沒有制作出這種超高轉(zhuǎn)換效率的實用化太陽能電池，但是大量的理論計算和實驗研究已經(jīng)證實，量子點太陽能電池將會在未來的太陽能轉(zhuǎn)換中顯示出巨大的發(fā)展前景。1 量子點太陽能電池的物理機理人們針對太陽能電池存在的能耗高、光電轉(zhuǎn)換率低等缺點，提出了三套解決方案1：1

4、）增加帶隙數(shù)量，制作多帶隙疊層太陽能電池；2）熱載流子冷卻前進行俘獲；3）一個高能光子產(chǎn)生多個電子空穴對或者多個低能光子產(chǎn)生一個高能電子空穴對。目前，方案1已經(jīng)得到實際應(yīng)用，后兩套方案基于量子點產(chǎn)生的量子限制效應(yīng)正處于研究之中。半導(dǎo)體量子點太陽能電池作為第三代太陽能電池具有潛在的優(yōu)勢，它通過以下兩個效應(yīng)可以大大增加光電轉(zhuǎn)換效率：第一個效應(yīng)是來自具有充足能量的單光子激發(fā)產(chǎn)生多激子；第二個效應(yīng)是在帶隙里形成中間帶，可以有多個帶隙起作用，來產(chǎn)生電子空穴對。這兩個效應(yīng)的產(chǎn)生是因為量子點中的能級量子化。能級量子化還會產(chǎn)生其它效應(yīng)：減緩熱電子-空穴對的冷卻；提高電荷載流子之間的俄歇復(fù)合過程和庫侖耦合；并且

5、對于三維限制的載流子，動量不再是一個好量子數(shù)，躍遷過程不必滿足動量守恒。提高轉(zhuǎn)換效率的兩種基本的方式(增加光電壓或者增加光電流)理論上在三維量子點太陽能電池的結(jié)構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)。1.1 量子點多激子太陽能電池的機理在一般的半導(dǎo)體太陽能電池中由碰撞電離引起的多個電子空穴對的形成對于提高量子產(chǎn)能并沒有多重要的貢獻，這主要是因為只有在光子的能量達到光譜的紫外區(qū)才會有可觀的碰撞電離效應(yīng)，而大多數(shù)半導(dǎo)體無法滿足要求，原因有兩個，一個是晶體的動量守恒，另外是碰撞電離的比率必須和由電子-聲子散射引起的能量弛豫的比率接近。在量子點體系中三維限制效應(yīng)會形成分裂的量子化能級，能有效地減慢電聲子的相互作用。而且對于三維

6、限制載流子，由于動能不再是一個好量子數(shù)，因此躍遷過程也不必滿足動量守恒，這樣碰撞電離效應(yīng)可得到增強，熱電子可產(chǎn)生多個空穴對，因此稱為多電子產(chǎn)生。多電子產(chǎn)生現(xiàn)象在不少納米晶體中有報道，如PbSe、PbS、PbTe和CdSe等。但目前實驗研究中，基于量子點的光轉(zhuǎn)換器件的量子產(chǎn)能還不理想。量子點多激子增強效應(yīng)機制尚處于研究階段。1.2 量子點中間帶太陽能電池的機理中間帶材料是在傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的價帶和導(dǎo)帶之間存在一個中間帶。由于中間帶的形成，電子會從價帶躍遷到中間帶，以及從中間帶躍遷到導(dǎo)帶，使低于帶隙能量的光子也能夠?qū)﹄姵氐墓怆娏鳟a(chǎn)生貢獻。中間帶可通過尺寸為納米量級的半導(dǎo)體量子點鑲嵌在三維的寬帶隙半導(dǎo)

7、體材料中來實現(xiàn)量子點為勢阱，寬帶隙半導(dǎo)體為勢壘。通過調(diào)制阱寬可實現(xiàn)不同的量子限制效應(yīng)；改變能級分裂的距離，可以形成不同的帶隙寬度。2（a） （b）圖2， （a） 中間帶材料的結(jié)構(gòu)；（b）量子點中間帶太陽能電池的能級構(gòu)造中間帶太陽能電池能夠捕獲和吸收低于帶隙能量的光子，使太陽能電池可以在沒有電壓降低的情況下提高光電流，因此它是目前第三代太陽能電池研究中最為活躍的領(lǐng)域之一。在中間帶太陽能電池需要解決的基本問題中，最關(guān)鍵的是光的有效吸收問題。為了使光子有最大能量輸出的同時使載流子的熱損失最小，具有一定能量的光子應(yīng)首先被相應(yīng)的最寬的能隙吸收(不同帶隙主要吸收與能隙寬度相近能量的光子，避免高能量的光子被

8、窄能帶先吸收)，同時要求價帶到導(dǎo)帶的吸收系數(shù)比價帶到中間帶的吸收系數(shù)大，價帶到中間帶的吸收系數(shù)比中間帶到導(dǎo)帶的吸收系數(shù)大。其次是要求中間帶必須是半滿的，且應(yīng)有足夠的電子空穴對濃度，能夠滿足電子從價帶到中間帶的躍遷和中間帶到導(dǎo)帶躍遷的要求。上述要求在實驗上是不容易滿足的，因此尋找滿足上述要求的中間帶材料是實現(xiàn)高效中間帶太陽能電池的關(guān)鍵之一。2 量子點太陽能電池研究內(nèi)容介紹2.1 量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池，是以染料敏化太陽能電池(DSSC)為基礎(chǔ)構(gòu)造的，兩者的工作原理相似，只是前者選擇窄帶隙半導(dǎo)體量子點替代有機染料分子作為光敏劑連接到寬帶隙半導(dǎo)體如TiO2、ZnO和SnO2等陽極材

9、料上使其達到敏化效果3。量子點敏化太陽能電池包括導(dǎo)電玻璃、光陽極、光敏劑、電解質(zhì)和對電極5個部分。其中光陽極即是量子點附著和光生電子注入的載體，一般是具有長電子擴散長度的寬禁帶半導(dǎo)體制成的多孔電極。目前，光陽極材料的研究主要集中在TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5和In2O3等二元半導(dǎo)體氧化物上。對光陽極的形貌和成分調(diào)控是提高量子點敏化太陽能電池效率的一種途徑，也是研究的熱點和重點。量子點敏化太陽能電池研究很多。文獻4綜述了光分解沉積法簡單工藝制備金屬硫化物量子點TiO2太陽能敏化電池。圖2， 量子點敏化太陽能電池示意圖2.2 量子點太陽能電池材料及其機理研究許多科研實驗設(shè)計不同材料不同結(jié)

10、構(gòu)的量子點太陽能電池，證明了量子點的多激子產(chǎn)生、中間帶效應(yīng)會提高量子點太陽能電池電流密度和轉(zhuǎn)換效率。常見的量子點材料有InAs/InGaAs，InAs/GaAs。有研究者證明Sb調(diào)節(jié)生長方式是一種構(gòu)造超高密度量子點結(jié)構(gòu)太陽能電池的可行行為。為了核實在高聚光條件下量子點太陽能電池吸收光譜的提高，美國國家可再生能源實驗室研究了在高強度照射下比較了有20層量子點的太陽能電池和常規(guī)GaAs電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率，如圖3所示，提高是很明顯的。圖3 功率效率和短路電流密度的對比 Zusing Yang等5制備了CdHgTe和CdTe量子點太陽能電池，具有優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換效率。Sugaya等人6用間斷沉

11、積法制備了InGaAs量子點太陽能電池。2.3 量子點太陽能電池器件及其結(jié)構(gòu)研究目前量子點太陽能電池結(jié)構(gòu)常用的是P-i-n結(jié)構(gòu)，最早應(yīng)用于非晶Si太陽能電池，其主要目的是利用p-n結(jié)自建電場對i層光生載流子所產(chǎn)生的漂移作用提高收集效率。7 Seth Hubbard 和Ryne Raffaelle8為了提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，在2010年構(gòu)造了InAs/GaAs 量子點提高太陽能電池，并證實了增加量子點的層數(shù)能提高量子點太陽能電池的外量子效率，也會影響電池的轉(zhuǎn)換效率。他們將InAs量子點嵌入到GaAs的p-i-n 太陽能電池的中間，如圖4所示。圖4， p-i-n 結(jié)構(gòu)量子點太陽能電池 Taka

12、ta等9人利用應(yīng)變補償技術(shù)在GaAs襯底上生長20、25、100層InAs/GaNAs疊層，構(gòu)造了量子點中間帶太陽能電池，如圖5所示。圖5，多層量子點太陽能電池結(jié)構(gòu)3 小結(jié)與展望量子點太陽能電池有著良好的應(yīng)用前景，其中量子點敏化太陽能電池距離商業(yè)化應(yīng)用最為接近，但真正意義上的量子點太陽能電池基于多激子產(chǎn)生效應(yīng)設(shè)計和制作的太陽能電池，還有待深入研究。同其它許多具有應(yīng)用前景的項目一樣，量子點太陽能電池研究領(lǐng)域還有很多工作要做，首先是光電轉(zhuǎn)換機制的研究，然后是材料的制備，還有器件的組裝以及成本問題。相信在眾多科研人員的努力下，量子點太陽能電池會盡快為解決人類的環(huán)境與能源問題作出貢獻。參考文獻1 姜禮

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