量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的最新進(jìn)展

1、半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電 池的最新進(jìn)展池的最新進(jìn)展 1.發(fā)展太陽(yáng)能電池的原因 太陽(yáng)能是解決人類面臨的環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的 理想新能源。如果以光電轉(zhuǎn)換效率為 的光 電器件覆蓋的地球表面，就足以滿足目 前全人類的能源需要。 太陽(yáng)能電池的由來(lái)和歷程 1839年，法國(guó)的Becgueral首次在化學(xué)電池中觀察到了光生伏特效應(yīng)。 作為一種新的能源，太陽(yáng)電池在1958年首先被用于太空人造衛(wèi)星和航 天器上；20世紀(jì)70年代初，隨著新工藝的開(kāi)發(fā)和新技術(shù)的引入，太陽(yáng) 電池的轉(zhuǎn)換效率有了很大提高，制作成本下降，太陽(yáng)電池開(kāi)始在地面 上獲得應(yīng)用；20世紀(jì)80年代初，太陽(yáng)電池研究進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展

2、期， 社會(huì)的需求和技術(shù)的進(jìn)步是太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高，生產(chǎn)成 本持續(xù)下降，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大；20世紀(jì)90年代初，人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì) 生活的可持續(xù)發(fā)展，更進(jìn)一步凸顯了人們開(kāi)發(fā)的利用太陽(yáng)能的緊迫性； 尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，環(huán)境的持續(xù)惡化和能源的嚴(yán)重短缺，使人們 對(duì)高效率、低成本、長(zhǎng)壽命和高穩(wěn)定性太陽(yáng)電池開(kāi)發(fā)需求的期望大道 理一個(gè)前所未有的高度。 太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)階段的情況 太陽(yáng)能企業(yè)目前普遍負(fù)債較高，在美國(guó)上市的十幾家企業(yè) 中，即使是負(fù)債率最低的晶澳也有60%，最高的是賽維 LDK，達(dá)到了90%。 但是事實(shí)上，全球總的光伏需求的增長(zhǎng)仍將繼續(xù)，只是市 場(chǎng)的中心將在下半年從歐洲轉(zhuǎn)向亞太地區(qū)。 財(cái)政部

3、、科技部、國(guó)家能源局于五月初公布了2012年金太 陽(yáng)示范項(xiàng)目目錄。根據(jù)各地上報(bào)的2012年金太陽(yáng)示范項(xiàng) 目實(shí)施方案和專家評(píng)審結(jié)果，三部委確定2012金太陽(yáng)示 范工程總規(guī)模為1709MW。在補(bǔ)助資金方面，2012年用戶 側(cè)光伏發(fā)電項(xiàng)目的補(bǔ)助變準(zhǔn)確定為5.5元/瓦。財(cái)政部據(jù)此 核定示范項(xiàng)目補(bǔ)助資金按一定比例進(jìn)行預(yù)撥，剩余資金在 項(xiàng)目完工后進(jìn)行清算。 太陽(yáng)電池的發(fā)展及優(yōu)缺點(diǎn) 一、第一代太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率較高、穩(wěn)定， 但成本很高。 二、第二代太陽(yáng)能電池的技術(shù)仍然不 夠成熟，如有機(jī)染料敏化電池還存在以下問(wèn)題： （）現(xiàn)在公認(rèn)使用效果最好的釕絡(luò)合物的制備 過(guò)程比較復(fù)雜，且釕金屬價(jià)格昂貴； （）有機(jī)染料對(duì)

4、近紅外光吸收相對(duì)較弱； （）染料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性差； （）染料的激發(fā)態(tài)壽命很短 所以： 染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展受到制約的關(guān)鍵難題 就是敏化劑，選擇合適的敏化劑已經(jīng)成為敏化電 池研究的重點(diǎn)。 量子限域效應(yīng) 什么是量子點(diǎn) 量子限域效應(yīng)：當(dāng)電子沿某一方向的運(yùn)動(dòng)受到限 制時(shí)，電子在該方向的能量就要發(fā)生量子化，這 時(shí)在該方向上受到束縛的電子形成駐波。根據(jù)被 束縛方向的數(shù)目，我們可以把材料分為體材料（0 個(gè)束縛方向），量子阱（一個(gè)束縛方向），量子 線（兩個(gè)束縛方向），量子點(diǎn)（三個(gè)束縛方向） 能量量子化使材料的電子狀態(tài)密度受到很大的影 響。 量子點(diǎn)作用 例如： 根據(jù)碰撞離化效應(yīng)，量子點(diǎn)能夠利用熱根據(jù)碰撞離化效應(yīng)

5、，量子點(diǎn)能夠利用熱 電子使每個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)。另外它電子使每個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)。另外它 們還具有較高的消光系數(shù)，能夠有效地降低暗電們還具有較高的消光系數(shù)，能夠有效地降低暗電 流。流。 由此得出的結(jié)論： 因此，半導(dǎo)體量子點(diǎn)是發(fā)展敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu) 秀材料。量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池作為第三代太陽(yáng) 能電池將對(duì)整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。 量子點(diǎn)敏化劑 1.量子點(diǎn)（，）是三維尺寸都足夠小的 納米材料，電子的運(yùn)動(dòng)在三維上都是量子化的。 2.優(yōu)點(diǎn)： （）量子點(diǎn)敏化劑種類多，來(lái)源廣，成本較低廉，制備工藝相對(duì)簡(jiǎn) 單； （）量子點(diǎn)具有量子限域效應(yīng)，可通過(guò)調(diào)控其粒徑來(lái)改變能帶寬度， 拓寬對(duì)太陽(yáng)光譜的吸

6、收范圍； （）充分利用量子點(diǎn)的熱電子以及單光子激發(fā)多光子發(fā)射（多激子 產(chǎn)生）的性能，顯著提高電池的轉(zhuǎn)換效率； （）相對(duì)于有機(jī)染料，量子點(diǎn)具有非常好的光學(xué)穩(wěn)定性； （）量子點(diǎn)敏化劑不存在有機(jī)染料敏化劑由于厚度而降低光吸收的 問(wèn)題。更重要的是，半導(dǎo)體量子點(diǎn)或薄膜的生產(chǎn)比塊體便宜，它們的 合成溫度更低，并且可以采用液相法制備。 缺點(diǎn) 量子點(diǎn)之間容易發(fā)生團(tuán)聚使其很難在量子點(diǎn)之間容易發(fā)生團(tuán)聚使其很難在 多孔膜或納米棒表面均勻包覆；很難多孔膜或納米棒表面均勻包覆；很難 尋求一種合適的高效電解液使量子點(diǎn)受到尋求一種合適的高效電解液使量子點(diǎn)受到 較少的腐蝕。較少的腐蝕。 解決方法： 等人報(bào)道了一種采用液態(tài) 作

7、為溶劑修飾量子點(diǎn)的方法， 液態(tài)超低的粘稠度和超小的表面張力（潤(rùn) 濕角）有利于溶解在其中的量子點(diǎn)在多孔 膜中更快擴(kuò)散，并更好地穿透多孔膜均勻覆蓋于 電極的表面。 燃料敏化太陽(yáng)電池組成 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的電解池是由光 陽(yáng)極、電解質(zhì)和光陰極組成的“三明治” 結(jié)構(gòu)電池。光陽(yáng)極主要是在導(dǎo)電襯底材 料上制備一層多孔半導(dǎo)體薄膜，并吸附 一層光敏化劑；光陰極是在導(dǎo)電襯底上 制備一層含鉑或碳等的催化材料。 以為例介紹量子點(diǎn) 敏化電池的工作原理。如圖所示，首 先電解質(zhì)中的吸收光子，使電 子激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生空穴， 由于量子點(diǎn)的導(dǎo)帶和的導(dǎo)帶能 級(jí)非常匹配，所以納米導(dǎo)帶上 產(chǎn)生的電子就會(huì)注入到的導(dǎo)帶， 然

8、后傳輸?shù)绞占姌O，另外一極同時(shí)發(fā) 生氧化還原反應(yīng)，將電子重新還原給 納米顆粒，從而完成一個(gè)循環(huán)。 其中，光陽(yáng)極是整個(gè)電池的核心，起著 俘獲太陽(yáng)光子和傳輸電子的作用，通常 是由和有機(jī)染料分子組成。 量子點(diǎn)敏化電極的制備 量子點(diǎn)敏化電極的制備可分為兩步：第一步是制備納米電極 這一步可通過(guò)多種方法進(jìn)行，例如水熱法(注釋：水熱反應(yīng)依據(jù)反應(yīng)類型的不同可 分為水熱氧化、水熱還原、水熱沉淀、水熱合成、水熱水解、水熱結(jié)晶等。其中水熱結(jié)晶用得最多。 在這里簡(jiǎn)單介紹一下它的原理: 水熱結(jié)晶主要是溶解再結(jié)晶機(jī)理。首先營(yíng)養(yǎng)料在水熱介質(zhì)里 溶解,以離子、分子團(tuán)的形式進(jìn)入溶液。利用強(qiáng)烈對(duì)流(釜內(nèi)上下部分的溫度差而在釜內(nèi)溶

9、液產(chǎn)生) 將 這些離子、分子或離子團(tuán)被輸運(yùn)到放有籽晶的生長(zhǎng)區(qū)(即低溫區(qū)) 形成過(guò)飽和溶液,繼而結(jié)晶。)、 溶膠凝膠法和陽(yáng)極氧化法等； 第二步是在上修飾半導(dǎo)體量子點(diǎn)： 1.自組裝單層法（ 法） 能夠控制的尺寸，但也存在不易完全覆蓋2整 個(gè)表面的缺點(diǎn)。 2.化學(xué)浴法（法） 法是指在正常或水熱條件下進(jìn)行量子點(diǎn)沉積，即 將電極放入溶解有陽(yáng)離子和陰離子的溶液中處理， 或交替放入兩種單獨(dú)包含陽(yáng)離子和陰離子的溶液中處 理，以得到量子點(diǎn)。對(duì)于后者，又通常稱為依次離 子層吸附和反應(yīng)法（ 法）。采用 法盡管能夠獲得較高太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化效率的和量 子點(diǎn)敏化電池，然而卻很難得到較高效率的和 敏化電池。 解決方法 等人提出了

10、一種新的 方 法合成量子點(diǎn)，即利用強(qiáng)還原劑 來(lái)還原得到 離子，在手套 箱中操作合成量子點(diǎn)。此外，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)將 等量子點(diǎn)成功地修飾到電極表面。 常用量子點(diǎn)敏化劑的種類 （，）型量子點(diǎn)敏化劑 （，）型量子點(diǎn)敏化劑 隨著粒徑的變化，的能級(jí)也發(fā) 生變化，對(duì)太陽(yáng)光的吸收也隨之改變。當(dāng) 的粒徑從增加到時(shí)，能 帶寬度由降低到，此時(shí)電 子從注入到的速度也隨之降低， 光吸收從 增加到。因此如 何協(xié)調(diào)電子的注入速度和充分利用太陽(yáng)光就成為 敏化電池的研究重點(diǎn)。 量子點(diǎn)敏化劑及其附著的 一維納米陣列的結(jié)構(gòu) 由于量子點(diǎn)敏化劑的光學(xué)性質(zhì)有很強(qiáng)的尺寸依賴性，小 的半導(dǎo)體納米粒子吸收高能短波長(zhǎng)的光，大的半導(dǎo)體納米 粒子吸收能量較低的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。若制備的敏化劑粒徑呈 梯度分布，則可充分發(fā)揮量子點(diǎn)敏化劑的寬吸收特性。 寬帶隙半導(dǎo)體的形態(tài)是另外一個(gè)制約量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電 池性能的因素。若量子點(diǎn)敏化劑沉積在介孔寬帶隙半導(dǎo)體 膜上，光生電子要在半導(dǎo)體粒子間多次跳躍才能到達(dá)電極。 若將量子點(diǎn)和垂直生長(zhǎng)在導(dǎo)電襯底上的一維納米線或納米 管陣列相結(jié)合，則能有效提高量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池效率。 一維納米陣列把光生電子直接傳輸?shù)诫姌O，可有效避免電 子傳輸時(shí)在介孔粒子間的碰撞跳躍。 提高電池性能 提高電池性能主要可以從以下兩方面著手： 1.開(kāi)發(fā)出沉積量子點(diǎn)的方