量子點(diǎn)材料光伏電池的研究

1、本文由xiazyan 貢獻(xiàn)pdf文檔可能在WAP 端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT ，或下載源文件到本機(jī)查看。 SOLAR ENERGY技術(shù)與產(chǎn)品太 陽(yáng) 能量子點(diǎn)材料光伏電池的研究大連交通大學(xué) 薛鈺芝摘 要：本文簡(jiǎn)單分析現(xiàn)有光伏電池的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹第三代太陽(yáng)電池的研發(fā)目標(biāo)，對(duì)多層膜、 量子點(diǎn)材料的光伏電池的原理進(jìn)行闡述。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；多層膜；量子點(diǎn)概述太陽(yáng)能是最清潔的可再生能源。當(dāng)前，各國(guó)將太 陽(yáng)能光伏發(fā)電擺在可再生能源利用的重要位置， 它已 成為全球增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 太陽(yáng)能光伏 電池的研發(fā)經(jīng)歷了三個(gè)階段， 目前研發(fā)和商品化的為 第一、二代太陽(yáng)電池（表 ） 。由表可見，

2、已商品化的 大部分為單晶、多晶硅材料的太陽(yáng)電池。 常規(guī)單結(jié)半導(dǎo)體電池只能轉(zhuǎn)換接近和高于帶隙 能量的光子。導(dǎo)致效率降低的主要因素是（圖 ） ： （）光子激發(fā)電子 空穴對(duì)通過(guò)能帶間隙時(shí)，較高 能量（頻率高）和較低能量（頻率低）的光子的產(chǎn)表 第一、二代太陽(yáng)電池 太陽(yáng)電池 第一代太陽(yáng)電池 組 分 單晶硅太陽(yáng)電池 多晶硅太陽(yáng)電池 非晶硅太陽(yáng)電池 銅銦硒薄膜太陽(yáng) 第二代太陽(yáng)電池 （薄膜太陽(yáng)電池） 電池 （） 太陽(yáng)能電池 染料敏化 太陽(yáng)電池 （實(shí)驗(yàn)室） 將商品化 效 率 （） （實(shí)驗(yàn)室） （產(chǎn)品） 商業(yè)化情況 實(shí)驗(yàn)室 商品化 商品化 商品化 商品化 特 點(diǎn) 高效率 價(jià)格較貴 產(chǎn)品很多 價(jià)格較低但有衰退 銦是

3、稀有貴金屬 效率較高，價(jià)格貴 價(jià)格較低 不太穩(wěn)定（實(shí)驗(yàn)室） 正在實(shí)現(xiàn)商品化 超過(guò) 空間應(yīng)用出效率相同，導(dǎo)致效率降低 ； （）光子激發(fā)電 子 空穴的復(fù)合作用與材料缺陷及光激發(fā)逆過(guò)程有 關(guān)； （）電極引線接觸處復(fù)合作用等?？梢娞?yáng)光 譜能量并未得到充分的利用。根據(jù)理論計(jì)算，最大 的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá) ；串列式太陽(yáng)電 池的光電轉(zhuǎn)換效率最大為。 目前實(shí)驗(yàn)室單晶硅 太陽(yáng)電池最高效率僅為 ，因此，提高太陽(yáng)能電 池的光電轉(zhuǎn)換效率大有潛力。 充分利用太陽(yáng)能的全光譜，提高太陽(yáng)電池的光 電轉(zhuǎn)換效率；降低成本，并有利于環(huán)境保護(hù)和生態(tài) 平衡，是第三代光伏電池的目標(biāo)。為此，各國(guó)正在 開展以下幾方面的研究： （）應(yīng)用

4、自然界含量豐富，無(wú)毒的原材料；經(jīng)15摻雜建立中間能隙，發(fā)揮雜質(zhì)光伏作用，增加能隙 值范圍的材料； （）對(duì)入射光進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，以獲 得與電池匹配的特性，在光伏電池中運(yùn)用，以充分 利用全波長(zhǎng)太陽(yáng)光譜； （）研究“熱載流子”的光 伏特性； （）進(jìn)行光伏學(xué)的模擬計(jì)算，研發(fā)應(yīng)用軟 件； （）研究光與電磁相關(guān)的問(wèn)題，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu) 收集光的熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算、 表面電子振蕩的表面等離 子體的研究等； （）其他相關(guān)問(wèn)題的研究。 歐共體 國(guó)綜合項(xiàng)目提出的目標(biāo)為：研究多結(jié) 太陽(yáng)電池（MJC ） ；熱光伏學(xué)（TPV ） ；中間帶太陽(yáng)電 池和材料（IBC ） ；探索分子基礎(chǔ)的概念（MBC ） ；研 究加工技術(shù)和預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)化工

5、作（MFG ） 。SOLAR ENERGY 1/2007SOLAR ENERGY太 陽(yáng) 能 技術(shù)與產(chǎn)品 （）圖 導(dǎo)致光伏電池效率降低的因素示意圖關(guān)于多層膜材料光伏電池 采用納米多層膜微結(jié)構(gòu)的材料制作光伏電池， 突破常規(guī)光伏電池的基本原理， 有望獲得較高的能 量轉(zhuǎn)換效率。主要原因?yàn)椋?（）納米微結(jié)構(gòu)材料的 晶粒尺寸與載流子的散射長(zhǎng)度是同數(shù)量級(jí)， 散射速 率減小，增長(zhǎng)載流子的收集效率； （）由于微結(jié)構(gòu) 的電子態(tài)密度增大，使其具有較強(qiáng)的吸收系數(shù)，控 制微結(jié)構(gòu)的尺寸， 可吸收特定能量范圍的光子； （） 通過(guò)層與層的堆垛， 可在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸 收能力增強(qiáng)， 將會(huì)提高光電轉(zhuǎn)換效率（） ； 納米多層

6、 膜中，多量子阱結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)能級(jí)將形成超晶格中的 微帶效應(yīng)，使得電子可以在垂直于超晶格界面的方 向輸運(yùn)， 發(fā)生共振隧穿、 場(chǎng)致局域態(tài)間的跳躍導(dǎo)電等 現(xiàn)象， 從而可大大提高光電轉(zhuǎn)換效率 （） ； 低維材料 熱載流子輻射收集時(shí)間比能量松弛時(shí)間短，運(yùn)用熱 載流子的原理， 就有可能使全部電流輸出， 而熱晶格 即熱吸收體存在可以阻礙光生載流子能量發(fā)生松弛， 從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。新一代光伏電池的研究將 按照由“多層膜疊層半導(dǎo)體材料量子阱材 料量子點(diǎn)材料”的路線發(fā)展。 關(guān)于量子點(diǎn)材料光伏電池 量子點(diǎn)具有比量子阱更強(qiáng)的作用， 可用量子點(diǎn)從 太陽(yáng)光吸收一個(gè)寬排的光子能量后再發(fā)射幾個(gè)波長(zhǎng) 的能量。 在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)量

7、子點(diǎn)物 質(zhì)，推進(jìn)單層高效率太陽(yáng)電池的研究。 用多層氧化硅（多層膜）中排列的 量子點(diǎn)層夾在 （ 型） （） 之間制成電池， 當(dāng)達(dá)到層時(shí)， 量 子點(diǎn)的密度增大， 紅外光譜的吸收增強(qiáng)了 （與無(wú) 夾層比） ，使光生電流增加（低能區(qū)） ；但由于 量 子點(diǎn)又起到載流子復(fù)合與捕獲中心的作用而導(dǎo)致開 路電壓減小了。 可見為提高短路電流、 開路電壓， 必 須優(yōu)化設(shè)計(jì)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效 率。 更重要的是， 要對(duì) 量子點(diǎn)層的機(jī)理進(jìn)行研 究，并用以指導(dǎo)最佳化設(shè)計(jì)。 量子點(diǎn)被稱為“人造原子” ，一般尺度為幾十納 米， 其能帶結(jié)構(gòu)與原子相象。 電子和空穴受到三維量 子限域效應(yīng)影響而呈現(xiàn)不連續(xù)的能級(jí)。尺度直

8、接決 定量子點(diǎn)的能級(jí)。對(duì)于一維情況， 能級(jí)遵從式 （） ：16其中， 為普朗克常數(shù)（ ） ， 為 方向波矢量（ ） ， 為粒子等效 質(zhì)量， 為膜層厚度， 而為量子數(shù)。 所以厚度愈小， 量子化能級(jí)之間的能量差愈大。圖 為量子尺寸效 應(yīng)的示意圖， 當(dāng)尺寸減小時(shí)， 使得能隙上升。 式 （） 為一維情況，而量子點(diǎn)在三維情況下均有量子尺寸 效應(yīng)，若采用量子點(diǎn)材料，將會(huì)有以下作用：圖 量子尺寸效應(yīng)示意圖（） 吸收系數(shù)增大 量子點(diǎn)限域效應(yīng)使能隙隨粒 ： 徑變小而增大，所以量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)材料可吸收寬光譜 的太陽(yáng)光。量子點(diǎn)尺度更小時(shí)，處于強(qiáng)限域區(qū)易形 成激子，產(chǎn)生激子吸收帶，隨著粒徑的減小，吸收 系數(shù)增加。激子的最

9、低能量藍(lán)移。也使其對(duì)光的吸 收系數(shù)范圍擴(kuò)大。 （）帶間躍遷，形成子帶：其光譜是由于帶間 躍遷的一系列線譜組成。帶間躍遷可以使得入射光 子能量小于主帶隙的光子轉(zhuǎn)化為載流子的動(dòng)能?？?以有多個(gè)帶隙起作用，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。 （）量子隧道效應(yīng)與載流子的輸運(yùn)：光伏現(xiàn)象 的實(shí)質(zhì)是材料的內(nèi)光電轉(zhuǎn)換特性，與電子的輸運(yùn)特 性有密切關(guān)系。 電子在納米尺度量子點(diǎn)空間中運(yùn)動(dòng)， 當(dāng)有序量子點(diǎn)陣列內(nèi)的量子點(diǎn)尺寸與密度可控時(shí)， 量子隧道效應(yīng)更顯現(xiàn)，利于載流子輸運(yùn)。因量子阱 在橫向的尺度不是納米量級(jí)，所以可能使得光生載 流子的逃逸容易在兩層膜之間發(fā)生。而量子點(diǎn)有三 維的量子限域作用，如果尺寸與密度控制得當(dāng)，這 個(gè)問(wèn)題可以避免

10、。 關(guān)于量子點(diǎn)對(duì)光生載流子的逃逸、 捕獲與復(fù)合的過(guò)程的機(jī)理有待于進(jìn)一步探討。例如 量子點(diǎn)中光生載流子如何貢獻(xiàn)于光生電流 量 ； 子點(diǎn)能級(jí)的分布如何影響輻射復(fù)合幾率，從而影響 光伏電池的暗電流、開路電壓等；由量子點(diǎn)尺寸 決定的量子點(diǎn)能級(jí)的空間分布與量子點(diǎn)電池的轉(zhuǎn)換 效率之間有怎樣重要的關(guān)系；量子點(diǎn)尺寸和密度 控制在怎樣的程度方可以使轉(zhuǎn)換效率得到提高等等。 隨著量子點(diǎn)材料在發(fā)光材料的成功，量子點(diǎn)材料光 伏電池的研發(fā)也將取得成果。（參考文獻(xiàn)編者略）SOLAR ENERGY 1/20071本文由888ronglin 貢獻(xiàn)pdf文檔可能在WAP 端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT ，或下載源文件到本機(jī)

11、查看。 麴匭厘量子點(diǎn)材 料光伏 電池 的研究大連交通大學(xué) 薛鈺芝摘 要： 本文簡(jiǎn)單分析現(xiàn)有光伏電池的發(fā)展現(xiàn)狀 ， 介紹第三代太陽(yáng)電池的研發(fā) 目標(biāo) ，對(duì)多層膜 、量子點(diǎn)材料 的光伏 電池的原理進(jìn)行闡述 。 關(guān)鍵詞 ：太 陽(yáng)能電池；多層膜 ；量子點(diǎn)概 述 太陽(yáng)能是最清潔 的可再生能源 。當(dāng)前 ，各國(guó)將太 大部分為單晶 、多晶硅材料的太陽(yáng)電池。陽(yáng)能光伏發(fā)電擺在 可再生能源利用 的重要位置 ，它已 成為全球增長(zhǎng)最快 的高新技 術(shù)產(chǎn)業(yè)之一 。太陽(yáng)能光伏電池的研發(fā)經(jīng)歷了三個(gè)階段 ， 目前研發(fā)和商品化的為 第一 、二代太陽(yáng)電池 （ 。由表可見，已商品化的 表 ）常 規(guī)單結(jié)半 導(dǎo) 體 電池 只能轉(zhuǎn)換 接近 和

12、高 于帶 隙 能量 的光子 。導(dǎo)致 效率 降低 的主 要因 素是 （ ： 圖 ） （ ）光子激發(fā)電子 一空穴對(duì)通過(guò)能帶間隙時(shí) ， 較高能量 （ 頻率高）和較低能量 （ 頻率低）的光 了的產(chǎn)表 第 一、二代太陽(yáng) 電池 一硼哪 ， 一唧 一 第一代 太陽(yáng)電池單晶硅太陽(yáng)電池多晶硅太 陽(yáng)電池 （ ） 實(shí)驗(yàn)室商品化高效率 磊貴 衰 產(chǎn)品很多第 二 代 太 陽(yáng) 電 池非硅陽(yáng) 晶太電 池 囂 價(jià)較 有 格低 衰 但退 篙 驗(yàn) 在 商 銦 有 屬 ） 川 室 實(shí)品 是貴 ）正 現(xiàn) 化 稀 金 太陽(yáng)能電池 超過(guò) 染料敏 化 太陽(yáng)電池（ 薄膜太陽(yáng)電池）空間應(yīng)用 將商 品化效率較高 ，價(jià)格貴價(jià)格較低 不太穩(wěn)定（ 實(shí)

13、驗(yàn)室）出效率相同，導(dǎo)致效率降低 ；（）光子激發(fā)電 子 一空穴 的復(fù)合 作 用與材 料缺 陷及 光激 發(fā)逆 過(guò)程 有 關(guān) ；（）電極引線接觸處復(fù)合作用等。可見太陽(yáng)光 譜 能量并 未得 到充 分 的利用 。根據(jù)理 論 計(jì)算 ，最 大 的 太 陽(yáng)能光 電轉(zhuǎn)換 效 率可達(dá) ；串列式 太 陽(yáng)電 池 的光 電轉(zhuǎn)換 效率 最大 為 。 目前 實(shí)驗(yàn)室 單晶硅 太 陽(yáng)電池最高效 率僅 為 ，因此 ，提 高太陽(yáng)能電 池 的光 電轉(zhuǎn)換效 率大有潛力 。 充 分利 用太 陽(yáng)能 的全光 譜 ，提高 太 陽(yáng)電池 的光 電轉(zhuǎn) 換效 率 ；降 低 成本 ，并有 利 于環(huán)境 保護(hù) 和 生態(tài) 平衡 ，是 第三代 光伏 電池的 目

14、標(biāo) 。為此 ，各 國(guó)正在開 展 以下 幾 方面 的研 究 ：摻 雜建立 中 間能隙 ，發(fā)揮雜 質(zhì)光 伏作 用 ，增 加能隙值范圍的材料；（）對(duì)入射光進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制 ，以獲 得 與電池 匹配 的特 性 ，在光 伏 電池 中運(yùn)用 ，以充分利 用全波 長(zhǎng)太 陽(yáng)光譜 ；（）研 究 “ 熱載 流子 ”的光伏特性；（）進(jìn)行光伏學(xué)的模擬計(jì)算 ， 研發(fā)應(yīng)用軟件 ；（）研 究光與 電磁 相關(guān) 的 問(wèn)題 ，進(jìn)行 天 線結(jié)構(gòu) 收集光的熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算 、 表面電子振蕩的表面等離子 體 的研 究 等 ； （）其 他相 關(guān) 問(wèn)題 的研 究 。 歐共 體 國(guó) 綜合項(xiàng) 目提 出的 目標(biāo)為 ：研 究多 結(jié)太陽(yáng)電池 （ ； ）熱光伏

15、學(xué) （ ） ；中間帶太陽(yáng)電 池和材料 （ ； ） 探索分子基礎(chǔ)的概念 （ ） 研 究加工 技術(shù) 和預(yù) 期標(biāo) 準(zhǔn)化 作 （ ） 二 。（）應(yīng)用 自然界含量豐富 ，無(wú)毒的原材料 ；經(jīng) 其 中 ，為 普 朗克 常數(shù) （ ） ， 為 向波矢 量 （ ， 為粒子 等 效 方 ） 木 質(zhì) 量 ， 為 膜 層厚 度 ， 量 子數(shù) 。 以厚度 愈小 ， 而 為 所圖 導(dǎo)致光伏電池效率降低 的因素示意 圖量子 化能 級(jí) 之 間的 能量 差愈 大 。圖 為量 子尺 寸效 應(yīng) 的示意 圖 ， 當(dāng)尺 寸減 小時(shí) ， 得 能隙 上升 。（ ） 使 式 關(guān)于多層膜材料光伏 電池 采 用 納米 多 層膜 微 結(jié) 構(gòu) 的材

16、料 制作 光伏 電 池 ， 突破常規(guī)光伏電池的基本原理 ， 有望獲得較高的能 量轉(zhuǎn) 換效 率 。主 要原 因 為 ：（）納 米微 結(jié) 構(gòu)材料 的 晶粒 尺寸 與載 流子 的散 射 長(zhǎng)度 是 同數(shù) 量 級(jí) ，散 射速 率減小，增長(zhǎng)載流子 的收集效率；（ ）由于微結(jié)構(gòu) 的 電子態(tài) 密度增 大 ，使其 具有 較強(qiáng) 的吸 收 系數(shù) ，控 制微結(jié)構(gòu)的尺寸， 可吸收特定能量范圍的光子；（） 通過(guò) 層 與層 的堆垛 ，可在 較 寬的 波長(zhǎng) 范 圍內(nèi)光 的吸 收能力增強(qiáng) ， 將會(huì)提高光電轉(zhuǎn)換效率；（） 納米多層膜 中 ，多量 子阱 結(jié)構(gòu) 及雜 質(zhì)能級(jí) 將形 成超 晶格 中的為一 維情 況 ，而量 子 點(diǎn)在三

17、維情 況 下均 有量 子尺 寸 效 應(yīng) ，若 采 用量 子 點(diǎn)材料 ，將 會(huì) 有 以下作 用 ：一收 系數(shù)范 圍擴(kuò) 大 。圖 量 子 尺 寸 效應(yīng) 示 意 圖微帶 效 應(yīng) ，使得 電 子可 以在垂 直于超 晶格 界面 的方 向輸運(yùn) ， 發(fā)生共振 隧穿 、 場(chǎng)致局 域態(tài) 間的跳躍 導(dǎo) 電等現(xiàn)象， 從而可大大提高光電轉(zhuǎn)換效率；（） 低維材料 熱 載流子 輻射 收集 時(shí) 間比能量松 弛 時(shí) 間短 ，運(yùn) 用熱 載流子 的原理 ， 就有 可能使 全部 電流輸 出 ， 而熱 晶格 即熱吸 收體存在可 以阻礙光生載流 子能量 發(fā)生松弛 ， 從 而提高 光 電轉(zhuǎn) 換效 率 。新一 代光伏 電池的研 究將 按照

18、 由 “ 多層膜 疊層 半導(dǎo)體 材料 量子 阱材 料 量子點(diǎn)材 料 ”的路 線發(fā)展 。（） 吸收系數(shù)增大： 量子點(diǎn)限域效應(yīng)使能隙隨粒 徑變 小而 增 大 ，所 以 量子 點(diǎn)結(jié) 構(gòu)材 料可 吸 收寬 光譜 的 太 陽(yáng)光 。量 子 點(diǎn)尺 度 更小 時(shí) ，處 于強(qiáng) 限域 區(qū)易形 成激 子 ，產(chǎn) 生激 子吸 收帶 ，隨 著粒 徑 的減 小 ，吸收 系數(shù) 增加 。激 子 的最 低能 量藍(lán) 移 。也使 其對(duì) 光 的吸 （）帶間躍遷 ，形成子帶 ：其光譜是由于帶 間 躍遷 的一 系列線 譜組 成 。帶 聞躍遷 可 以使得 入 射光 子 能量小 于 主帶 隙 的光子 轉(zhuǎn)化 為 載流 子 的動(dòng) 能 ?？?以 有

19、 多個(gè) 帶 隙起 作用 ，產(chǎn)生 電子 一空穴對(duì) 。 （）量子隧道效應(yīng)與載流子的輸運(yùn) ：光伏現(xiàn)象 的 實(shí)質(zhì)是 材 料 的 內(nèi)光 電轉(zhuǎn) 換 特性 ，與 電子 的輸運(yùn) 特 性有密切關(guān)系。 電子在納米尺度量子點(diǎn)空間中運(yùn)動(dòng) ， 當(dāng) 有 序量 子 點(diǎn) 陣列 內(nèi)的 量子 點(diǎn)尺 寸 與 密度 可 控時(shí) ， 量子 隧道 效 應(yīng)更 顯現(xiàn) ，利 于載 流子 輸 運(yùn) 。因量子 阱在橫 向的尺 度不 是納 米 量級(jí) ，所 以可能 使 得光生 載 流子 的逃 逸 容 易在兩 層膜 之 間發(fā) 生 。而 量子 點(diǎn) 有三 維 的量 子限 域作 用 ，如 果尺寸 與 密度控 制 得 當(dāng) ，這 個(gè) 問(wèn)題可 以 避免 。 關(guān)于 量

20、子點(diǎn)對(duì) 光 生載 流子 的逃 逸 、 捕獲 與 復(fù)合 的過(guò) 程 的機(jī)理 有待 于 進(jìn)一 步探 討 。例 如 量子 點(diǎn) 中光 生載 流 子如 何貢 獻(xiàn)于 光 生 電流 ； 量 子 點(diǎn)能級(jí) 的 分布 如何 影 響輻射 復(fù) 合 幾率 ，從 而影 響 光伏 電池 的暗 電流 、開 路 電壓 等； 由量 子點(diǎn) 尺寸 決 定的量 子 點(diǎn)能級(jí) 的空 間分布 與量 子 點(diǎn) 電池的 轉(zhuǎn)換 效 率之 間有 怎樣 重要 的關(guān) 系； 量 子 點(diǎn)尺寸 和 密度 控制 在怎樣 的程 度方 可以使轉(zhuǎn) 換效率 得到提 高等等 。 隨 著量子 點(diǎn) 材料 在發(fā) 光材料 的成功 ，量 子點(diǎn) 材料 光伏 電池 的研 發(fā)也 將取 得

21、成果 。（ 參考文獻(xiàn)編者略 ）關(guān)于量子點(diǎn)材料光伏電池 量子點(diǎn)具有 比量子 阱更強(qiáng) 的作 用 ， 可用 量子點(diǎn)從 太 陽(yáng)光吸收 一個(gè) 寬排 的 光 子能 量后再 發(fā) 射幾個(gè) 波長(zhǎng) 的能量 。 在實(shí) 驗(yàn)室 開發(fā)量子 點(diǎn)物 質(zhì) ，推進(jìn) 單層高 效率太 陽(yáng) 電池 的研究 。 用多層氧化硅 （ 多層膜 ）中排列的 量子點(diǎn)層夾在 （ 型） 之間制 成電池 ， 一 （ ） 當(dāng)達(dá)到 層時(shí)， 量 子點(diǎn)的密度增大 ， 紅外光譜的 吸收增強(qiáng)了 （ 與無(wú) 夾層 比） ， 使光 生 電流增加 （ 能區(qū) ） 低 ； 由于 但 量 子點(diǎn)又起到載流子復(fù)合與捕獲中心的作用而導(dǎo)致開 路電壓減 小 了。 見為提 高短路 電流 、

22、可 開路 電壓 ， 必 須優(yōu)化 設(shè)計(jì) 量子 點(diǎn)結(jié) 構(gòu) ，以獲得 較高 的光 電轉(zhuǎn) 換效 率。更重要 的是 ， 要 對(duì) 量子 點(diǎn)層 的機(jī)理 進(jìn)行研 究 ，并 用 以指導(dǎo) 最佳化 設(shè)計(jì) 。 量 子點(diǎn)被稱 為 “ 造原子” 人 ，一般 尺度為 幾十納 米， 其能帶結(jié)構(gòu)與原子相象。 電 子和空穴受到三維量 子限域 效 應(yīng)影 響而呈 現(xiàn)不 連續(xù) 的能級(jí) 。尺度直 接決 定量子點(diǎn)的能級(jí)。對(duì)于 一 維情況 ， 能級(jí)遵從式 （） ： 1 本文由 xiazyan 貢獻(xiàn) pdf 文檔可能在 WAP 端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇 TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 SOLAR ENERGY 技術(shù)與產(chǎn)品 太 陽(yáng) 能

23、量子點(diǎn)材料光伏電池的研究 大連交通大學(xué) 薛鈺芝 摘 要：本文簡(jiǎn)單分析現(xiàn)有光伏電池的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹第三代太陽(yáng)電池的研發(fā)目標(biāo)， 對(duì)多層膜、 量子點(diǎn)材料的光伏電池的原理進(jìn)行闡述。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電 池；多層膜；量子點(diǎn) 概述 太陽(yáng)能是最清潔的可再生能源。 當(dāng)前， 各國(guó)將太 陽(yáng)能光伏發(fā)電擺在可再生能源利用的重 要位置， 它已 成為全球增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 太陽(yáng)能光伏 電池的研發(fā)經(jīng)歷了三 個(gè)階段， 目前研發(fā)和商品化的為 第一、 二代太陽(yáng)電池 （表 ） 。 由表可見， 已商品化的 大 部分為單晶、多晶硅材料的太陽(yáng)電池。 常規(guī)單結(jié)半導(dǎo)體電池只能轉(zhuǎn)換接近和高于帶隙 能量 的光子。導(dǎo)致效率降低的主要因素是

24、（圖 ） ： （）光子激發(fā)電子 空穴對(duì)通過(guò)能帶 間隙時(shí)，較高 能量（頻率高）和較低能量（頻率低）的光子的產(chǎn) 表 第一、二代太陽(yáng)電池 太陽(yáng)電池 第一代太陽(yáng)電池 組 分 單晶硅太陽(yáng)電池 多 晶硅太陽(yáng)電池 非晶硅太陽(yáng)電池 銅銦硒薄膜太陽(yáng) 第二代太陽(yáng)電池 （薄膜太陽(yáng)電池） 電池 （） 太陽(yáng)能電池 染料敏化 太陽(yáng)電池 （實(shí) 驗(yàn)室） 將商品化 效 率 （） （實(shí)驗(yàn)室） （產(chǎn)品） 商業(yè)化情況 實(shí)驗(yàn)室 商品化 商品化 商品化 商品化 特 點(diǎn) 高效率 價(jià)格較貴 產(chǎn)品很多 價(jià)格較低但有衰退 銦是稀有貴金屬 效率較高，價(jià)格貴 價(jià)格較 低 不太穩(wěn)定 （實(shí)驗(yàn)室） 正在實(shí)現(xiàn)商品化 超過(guò) 空間應(yīng)用 出效率相同，導(dǎo)致效率降低

25、 ； （）光子激發(fā)電 子 空穴的復(fù)合作用與材料 缺陷及光激發(fā)逆過(guò)程有 關(guān)； （）電極引線接觸處復(fù)合作用等?？梢娞?yáng)光 譜能量并未得 到充分的利用。根據(jù)理論計(jì)算，最大 的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá) ；串列式太陽(yáng) 電 池的光電轉(zhuǎn)換效率最大為。 目前實(shí)驗(yàn)室單晶硅 太陽(yáng)電池最高效率僅為 ，因此，提高太陽(yáng)能電 池的光電轉(zhuǎn)換效率大有潛力。 充分利用太陽(yáng)能的全光譜， 提高太陽(yáng)電池的光 電轉(zhuǎn)換效率；降低成本，并有利于環(huán)境保護(hù)和生態(tài) 平衡，是第三代光伏 電池的目標(biāo)。為此，各國(guó)正在 開展以下幾方面的研究： （）應(yīng)用自然界含量豐富，無(wú)毒 的原材料；經(jīng) 15 摻雜建立中間能隙，發(fā)揮雜質(zhì)光伏作用，增加能隙 值范圍的材料；

26、（）對(duì)入射光進(jìn) 行波長(zhǎng)調(diào)制，以獲 得與電池匹配的特性，在光伏電池中運(yùn)用，以充分 利用全波長(zhǎng)太陽(yáng)光譜； （） “熱載流子” 研究 的光 伏特性；（） 進(jìn)行光伏學(xué)的模擬計(jì)算， 研發(fā)應(yīng)用軟 件；（） 研究光與電磁相關(guān)的問(wèn)題，進(jìn)行天線結(jié)構(gòu) 收集光的熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算、 表面電子振蕩的表面等 離 子體的研究等； （）其他相關(guān)問(wèn)題的研究。 歐共體 國(guó)綜合項(xiàng)目提出的目標(biāo)為：研 究多結(jié) 太陽(yáng)電池（MJC） ；熱光伏學(xué)（TPV） ；中間帶太陽(yáng)電 池和材料（IBC） ；探索分 子基礎(chǔ)的概念（MBC） ；研 究加工技術(shù)和預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)化工作（MFG） 。 SOLAR ENERGY 1/2007 SOLAR ENERGY 太 陽(yáng)

27、 能 技術(shù)與產(chǎn)品 （） 圖 導(dǎo)致光伏電池效率降低的因素示意圖 關(guān)于多層膜材料光伏電池 采用納米多層膜微結(jié)構(gòu)的材料制作光伏電池， 突破常規(guī) 光伏電池的基本原理， 有望獲得較高的能 量轉(zhuǎn)換效率。主要原因?yàn)椋?（）納米微結(jié)構(gòu)材 料的 晶粒尺寸與載流子的散射長(zhǎng)度是同數(shù)量級(jí)， 散射速 率減小，增長(zhǎng)載流子的收集效率； （）由于微結(jié)構(gòu) 的電子態(tài)密度增大，使其具有較強(qiáng)的吸收系數(shù)，控 制微結(jié)構(gòu)的尺寸， 可 吸收特定能量范圍的光子； （） 通過(guò)層與層的堆垛， 可在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸 收 能力增強(qiáng)， 將會(huì)提高光電轉(zhuǎn)換效率（） ； 納米多層 膜中，多量子阱結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)能級(jí)將 形成超晶格中的 微帶效應(yīng)， 使得電子可以

28、在垂直于超晶格界面的方 向輸運(yùn)，發(fā)生共振隧穿、 場(chǎng)致局域態(tài)間的跳躍導(dǎo)電等 現(xiàn)象， 從而可大大提高光電轉(zhuǎn)換效率 （） ； 低維材料 熱 載流子輻射收集時(shí)間比能量松弛時(shí)間短， 運(yùn)用熱 載流子的原理， 就有可能使全部電流輸出， 而熱晶格 即熱吸收體存在可以阻礙光生載流子能量發(fā)生松弛， 從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。新 一代光伏電池的研究將 按照由“多層膜疊層半導(dǎo)體材料量子阱材 料量子點(diǎn)材 料”的路線發(fā)展。 關(guān)于量子點(diǎn)材料光伏電池 量子點(diǎn)具有比量子阱更強(qiáng)的作用， 可用量 子點(diǎn)從 太陽(yáng)光吸收一個(gè)寬排的光子能量后再發(fā)射幾個(gè)波長(zhǎng) 的能量。 在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)量子點(diǎn)物 質(zhì)，推進(jìn)單層高效率太陽(yáng)電池的研究。 用多層氧化硅（多層膜）中排列的 量子點(diǎn)層夾在 （ 型） （） 之間制成電池， 當(dāng)達(dá)到層時(shí)， 量 子點(diǎn)的密度增大， 紅外光譜的吸收增強(qiáng)了 （與 無(wú) 夾層比） ，使光生電流增加（低能區(qū)） ；但由于 量 子點(diǎn)又起到載流子復(fù)合與捕 獲中心的作用而導(dǎo)致開 路電壓減小了。 可見為提高短路電流、 開路電壓， 必 須優(yōu)化設(shè)計(jì) 量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效 率。 更重要的是， 要對(duì) 量子點(diǎn)層的機(jī) 理進(jìn)行研 究， 并用以