量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池摘要：量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池屬于第三代太陽(yáng)電池，優(yōu)異的特性使其保持器件性能的同時(shí)能大幅降低太陽(yáng)能電池的制造成本，因而已成為當(dāng)前的前沿和熱點(diǎn)課題之一。本文就量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的基本原理，發(fā)展歷史以及性能優(yōu)化方案做了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展做了闡述。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)、性能優(yōu)化、敏化太陽(yáng)能電池是很有前景的可再生能源，有望解決日益加劇的能源危機(jī)。一般來(lái)講，太陽(yáng)能電池基本上是一種大面積的不施加偏壓的pn結(jié)器件。當(dāng)太陽(yáng)光照射這種pn結(jié)器件時(shí)光能便

2、轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池的主要參數(shù)包括短路電流（JSC)、開(kāi)路電壓（VOC)、填充因子（Fill Factor，F(xiàn)F)、量子效率（Quantum Efficiency)、串聯(lián)電阻（RS）和并聯(lián)電阻（RSh)等。光能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)講大體包括載流子的光產(chǎn)生、載流子分離和載流子輸運(yùn)等三個(gè)主要階段。當(dāng)一個(gè)光子碰撞太陽(yáng)能電池有源層時(shí)，若光子能量小于有源層材料的禁帶寬度時(shí)，光子從太陽(yáng)能電池有源層中透射而過(guò)；當(dāng)光子能量等于或大于有源層材料的禁帶寬度時(shí)，光子被太陽(yáng)能電池的有源層吸收，多余的能量將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。在太陽(yáng)能電池中，載流子的分離存在兩種主要方式：(1)載流子在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)；(2)

3、載流子在電池中由于濃度梯度的存在而產(chǎn)生的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在較厚的太陽(yáng)能電池中由于在有源區(qū)不存在電場(chǎng)，載流子的主要分離方式是擴(kuò)散，從而對(duì)于這些電池來(lái)說(shuō)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度必須要能與電池厚度相當(dāng)。在較薄的電池中，由于缺陷的大量存在少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度通常很短，因此載流子的主要分離方式是在內(nèi)建電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)能電池的n型半導(dǎo)體端和P型半導(dǎo)體端通過(guò)金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸的方式形成兩端電極，電極與外部負(fù)載相連。在電子-空穴分離后，如果載流子還未到達(dá)兩端電極，它們將主要通過(guò)擴(kuò)散的方式在中性區(qū)運(yùn)動(dòng)。n型半導(dǎo)體端自身所產(chǎn)生的電子以及通過(guò)半導(dǎo)體結(jié)收集的電子會(huì)通過(guò)n端電極、外部導(dǎo)線、負(fù)載到達(dá)P端金屬-半導(dǎo)體接觸

4、電極，然后與P端空穴復(fù)合。太陽(yáng)能電池的研發(fā)經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前正從第一代基于硅片技術(shù)的第一代太陽(yáng)能電池向基于半導(dǎo)體薄膜技術(shù)的第二代半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池過(guò)渡。但第二代太陽(yáng)能電池效率較低，穩(wěn)定性也比較差。因此第三代太陽(yáng)能電池應(yīng)運(yùn)而生。第三代太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，現(xiàn)在仍處于研究發(fā)展階段。大體上來(lái)講，第三代太陽(yáng)能電池包含除了第一和第二代電池之外的所有太陽(yáng)能電池技術(shù)，主要有有機(jī)半導(dǎo)體（聚合物或小分子）太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池、雙結(jié)/多結(jié)太陽(yáng)能電池、中間帶太陽(yáng)能電池和熱載流子太陽(yáng)能電池等，這些電池分類之間既彼此獨(dú)立又互有重疊。第三代太陽(yáng)能電

5、池有望實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率比第一代太陽(yáng)能電池高的同時(shí)，保持第二代太陽(yáng)能電池的低成本優(yōu)勢(shì)。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池1.1 量子點(diǎn)基本原理半導(dǎo)體量子點(diǎn)是一種準(zhǔn)零維的納米材料，一般由少量的原子構(gòu)成，又稱為半導(dǎo)體納米超微粒。半導(dǎo)體量子點(diǎn)是一種典型的小量子體系，常被稱為“人造原子”、“超晶格”。由于量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸一般都在1100nm之間，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，因而表現(xiàn)出不同于半導(dǎo)體體材料的特性，如量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等。使其作為新型發(fā)光材料、光催化材料、光敏傳感器等方面具有特殊的潛在應(yīng)用前景。與太陽(yáng)能電池聯(lián)系緊密的是量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、多激子產(chǎn)生效應(yīng)。對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，當(dāng)

6、其粒徑尺寸下降到與其激子波爾半徑相當(dāng)時(shí)，將存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)分子軌道能級(jí)，而且其能隙隨粒徑減小而不斷變寬，這種現(xiàn)象被稱之為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)可以使量子點(diǎn)在其吸收光譜中出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)明顯的激子吸收峰并且隨著量子點(diǎn)尺寸的減小而不斷藍(lán)移，因此可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸來(lái)調(diào)控其光學(xué)吸收波長(zhǎng)，從而使得膠體量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用中具有了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。表面效應(yīng)，納米材料所具有的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是比表面積大，納米晶的尺寸越小，其比表面積越大，表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例越高。隨著表面原子數(shù)的增多，表面原子配位不足，不飽和鍵和懸掛鍵增多，使表面能迅速增加。其表面原子由于具有很高的

7、活性，非常不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。膠體量子點(diǎn)表面大量的表面態(tài)缺陷會(huì)影響其光學(xué)及電學(xué)性能，而且其巨大的表面能給量子點(diǎn)及其太陽(yáng)能電池的制備、保存和使用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此研究評(píng)價(jià)并提高量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性成為該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。多激子產(chǎn)生效應(yīng)是指單個(gè)入射光子可以產(chǎn)生兩個(gè)甚至多個(gè)電子-空穴對(duì)（激子）的現(xiàn)象。一個(gè)高能量入射光子（能量至少是材料禁帶寬度的兩倍）產(chǎn)生了一對(duì)高能激子，高能量的導(dǎo)帶電子以碰撞電離的形式釋放部分能量并回落到導(dǎo)帶底，所釋放的能量則引起一個(gè)甚至更多新激子的產(chǎn)生，從而一個(gè)入射光子最終產(chǎn)生了兩個(gè)甚至多個(gè)激子。可以說(shuō)，多激子產(chǎn)生過(guò)程也是碰撞電離的過(guò)程，它是俄歇復(fù)合的逆過(guò)程。1.2量

8、子點(diǎn)發(fā)展歷史研究現(xiàn)狀 2005年，sargent小組首次在膠體量子點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)，之后由PbS 或PbSe量子點(diǎn)作為有源層的太陽(yáng)能電池迅速發(fā)展。不同的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)也逐漸得到開(kāi)發(fā)，包括metal/CQD 薄膜，oxide/CQD 薄膜，organic layer/CQD薄膜和CQD/CQD薄膜。09年之前，簡(jiǎn)單三明治結(jié)構(gòu)的肖特基太陽(yáng)能電池被廣泛研究，TCO或ITO作為襯底并與量子點(diǎn)形成歐姆接觸，Ca，Mg和Al作為電極。2008年，sargent小組報(bào)道了能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)1%的PbS量子點(diǎn)/A1肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池，其短路電流密度、開(kāi)路電壓、填充因子和能量轉(zhuǎn)化效率分別為12.3mA/cm2、0

9、.33 V、44.4%和1.8%。2009年，Alivisatos小組利用PbSXSei_X合金量子點(diǎn)制備了ITO/PbSe/Al結(jié)構(gòu)的肖特基結(jié)電池，其能量轉(zhuǎn)化效率為3.3 %。2011年，Alivisatos小組又利用直徑為2.3 nm的超小PbSe量子點(diǎn)制備了 ITO/PEDOT/PbSe/Al結(jié)構(gòu)的肖特基結(jié)電池，電池的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了 4.57%。盡管肖特基太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制備，但是其自身存在一些缺點(diǎn)。肖特基結(jié)位于電池的背電極，光從頂電極入射要穿過(guò)很厚的有源層才能達(dá)到金屬背電極從而被收集，在此過(guò)程中，這些光生載流子特別是藍(lán)光光生載流子非常容易復(fù)合損失掉。若要提高藍(lán)光波段的效率，

10、有源層需要做的很薄，但這又限制了光吸收。另外，肖特基電池的電壓也普遍較低，其所使用的背電極為具有低功函數(shù)的金屬，致使其穩(wěn)定性一般較差。與肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池相比，異質(zhì)結(jié)電池由于結(jié)區(qū)處于器件中部，從而更有利于光生載流子分離和收集效率的提高，并且具有較高的開(kāi)路電壓和填充因子。因此，異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池得到了迅速發(fā)展。2010年，Carter小組和Nozik小組分別報(bào)道了利用Ti02和ZnO量子點(diǎn)作為n型材料與P型PbS量子點(diǎn)所形成的異質(zhì)結(jié)電池，其室溫能量轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到3.13 %和2.94 %，前者還首次在該類電池中得到了高于80%的峰值外部量子效率。同年，Sargent小組報(bào)道了基于PbS量子點(diǎn)和T

11、iO2半導(dǎo)體的耗盡異質(zhì)結(jié)膠體量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，電池效率達(dá)到5.1%。2011年，該小組又利用原子配體（單價(jià)鹵素陰離子）對(duì)PbS量子點(diǎn)進(jìn)行處理以提高其電導(dǎo)性并成功修飾其表面缺陷態(tài)，從而進(jìn)一步將效率提高到了6%，2012年，該小組用Cl-1和MPA對(duì)FTO/（ZnO/TiO2）/PbS CQD/MoOX/Au/Ag結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)電池進(jìn)行鈍化，得到了效率為7%的電池，這也是迄今為止紅外量子點(diǎn)電池的最高能量轉(zhuǎn)化效率。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池效率已經(jīng)從2010年的5%提高到了2012年的7%，并且有望每年提高1%的效率。2013年，Anna Loiudice， Aurora Rizzo等人將PbS量子點(diǎn)和TiO2

12、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)分別做在了導(dǎo)電玻璃和PET柔性襯底上，效率分別達(dá)到了3.6%和1.8%，迄今是柔性襯底上效率最高的電池。2. 量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池性能優(yōu)化2.1體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)吸收更多光子和收集光生載流子對(duì)提高太陽(yáng)能電池的效率起著舉足輕重的作用，較厚的有源層能夠吸收更多的光子從而激發(fā)更多的光生載流子，但是這樣載流子需要傳輸更長(zhǎng)的距離才能被電極收集，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有大量載流子復(fù)合。體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有望平衡這兩個(gè)方面。體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在有機(jī)太陽(yáng)能電池里面被廣泛采用，即將給、受體材料共混形成光電轉(zhuǎn)換活性層，極大的增加了給、受體的接觸面積，有利于激子的分離，同時(shí)減小了激子擴(kuò)散的距離，使更多的激子可以到達(dá)界面進(jìn)行分離

13、，所以能有效提高能量轉(zhuǎn)換效率。多倫多大學(xué)的Barkhouse et al.在TiO2層上面堆垛大量的TiO2納米顆粒，從而形成多孔納米TiO2結(jié)構(gòu)，然后旋轉(zhuǎn)涂膜一層PbS量子點(diǎn)，做出來(lái)的電池效率達(dá)到了5.5%。Rath et al.將n型的Bi2S3量子點(diǎn)和p型的PbS量子點(diǎn)混合溶液旋轉(zhuǎn)涂膜，形成了量子點(diǎn)混合膜，做成的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)為ITO/PbS CQDs/PbS and Bi2S3 CQDs/Bi2S3 CQDs/Ag，效率達(dá)到了4.87%。2.2電極接觸 為了更好地收集載流子，p型PbS或PbSe量子點(diǎn)薄膜與高功函數(shù)金屬Au和Ag應(yīng)該是歐姆接觸，以減小界面勢(shì)壘。Gao et al.在研究

14、ITO/ZnO/PbS CQD/metal 結(jié)構(gòu)器件的J-V特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)了roll-over和crossover效應(yīng)，他們認(rèn)為這是因?yàn)镻bS CQD/metal界面產(chǎn)生了肖特基勢(shì)壘，勢(shì)壘高度取決于量子點(diǎn)的尺寸和金屬的功函數(shù)?；谶@些發(fā)現(xiàn)，Gao et al.將由MoOX和V2OX構(gòu)成的n型過(guò)渡金屬氧化物（TMO）作為空穴收集層，做成了ITO/ZnO/PbS CQD/TMO/Au結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，電池效率為4.4%，開(kāi)路電壓VOC為0.524V，短路電流JSC為17.9mA/cm2，填充因子FF為48.7%。同期，Brown et al.也報(bào)道了在PbS CQDs薄膜和電極之間加一層MoO3可以

15、明顯提高電池各個(gè)方面的性能，包括VOC，JSC和FF。2.3 表面鈍化量子點(diǎn)間的量子力學(xué)電子耦合強(qiáng)度很大程度上依賴于量子點(diǎn)間的距離和量子點(diǎn)間互聯(lián)、填充材料的性質(zhì)。利用短鏈有機(jī)配體置換長(zhǎng)碳鏈配體來(lái)縮小量子點(diǎn)間距可以減小勢(shì)壘寬度，提高載流子在量子點(diǎn)間的跳躍速率從而增加電子耦合能，進(jìn)而提高電子遷移率。并且可以鈍化材料表面缺陷，從而減小缺陷的密度和深度，提高太陽(yáng)能電池的效率，因此選擇合適的配體進(jìn)行配體置換對(duì)太陽(yáng)能電池性能的提高起著很大的作用。EDT，BDT和MPA是傳統(tǒng)的短鏈有機(jī)配體，被廣泛應(yīng)用。最近又有一些新的配體被發(fā)現(xiàn)：原子配體和混合鈍化。Tang et al.采用CdCl2-tetradecyl

16、phosphonic acid(TDPA) -oleylamine(OLA)混合體處理預(yù)合成的PbS量子點(diǎn)，以鈍化量子點(diǎn)表面的硫陰離子，然后用cetyltrimethylammonium bromide（CTAB）的甲醇溶液來(lái)鈍化表面的陽(yáng)離子。利用時(shí)間分辨紅外光譜法和場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量發(fā)現(xiàn)，缺陷密度減為原來(lái)的十分之一，載流子遷移率增為原來(lái)的一百倍，做成的FTO/TiO2/PbS CQD/Au結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，其效率為5.1%，VOC為0.544V，JSC為14.6mA/cm2，填充因子FF為0.62。Ip et al.既采用原子配體又采用有機(jī)配機(jī)對(duì)PbS 量子點(diǎn)進(jìn)行鈍化，即混合鈍化，進(jìn)一步

17、降低了表面缺陷，制成的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)為FTO/（ZnO/TiO2）/PbS CQD/MoOX/Au/Ag，并用Cl-1和MPA對(duì)其進(jìn)行鈍化，得到的電池效率為7%，VOC為0.605V，JSC為20.1mA/cm2，填充因子FF為0.58。2.4 穩(wěn)定性 太陽(yáng)能電池要投入商業(yè)化，其良好的穩(wěn)定性與高效率同樣重要，由于量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池具有較高的表面體積比，所以表面能很高，對(duì)其所處的環(huán)境非常敏感，如何提高其穩(wěn)定性是研究人員不得不考慮的問(wèn)題。研究表明，表面氧化，老化時(shí)間以及燒結(jié)都會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。研究人員分別研究了PbS量子點(diǎn)電池在空氣、氮?dú)獗┞兑约盁崽幚淼炔煌瑮l件下電池性能的變化。結(jié)果顯

18、示，短時(shí)間的空氣暴露會(huì)使VOC和FF增加進(jìn)而使電池性能得到了提高，然而空氣暴露也導(dǎo)致了ISC的不斷下降，并且該變化是可逆的，這可能是由于氧氣在PbS表面的可逆物理吸附引起的。隨著空氣暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，物理吸附的氧分子分解并與PbS表面形成化學(xué)鍵的可能性增大，電池的性能會(huì)有一定程度的下降。PbS量子點(diǎn)電池在氮?dú)鈿夥罩衅銿OC，F(xiàn)F以及ISC都有所提高，并且性能能保持幾個(gè)月不降低。Liu et al. 采用原子層沉積法將一薄層Al2O3沉積到PbS量子點(diǎn)薄膜上，在PbS量子點(diǎn)之間形成了擴(kuò)散區(qū)勢(shì)壘，一定程度上阻止了量子點(diǎn)的氧化，結(jié)果顯示，電池在空氣中暴露一個(gè)月后性能依然為原來(lái)的95%，而未加Al2O3

19、薄層的電池性能下降了30%。這種處理方法還有效地提高了電池的VOC，F(xiàn)F以及ISC，電池的效率也提高了一倍。3 量子點(diǎn)敏化電池3.1敏化太陽(yáng)能電池1991年,瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院的MichaelGratzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將納晶多孔薄膜引入染料敏化太陽(yáng)能電池(DSCs)中，使得這種電池的光電轉(zhuǎn)換效率有了大幅度的提高，逐漸成為最有希望得到應(yīng)用的新型太陽(yáng)能電池之一。燃料敏化太陽(yáng)能電池是典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，一般由光陽(yáng)極、敏化染料、氧化還原電解質(zhì)以及對(duì)電極組成。當(dāng)太陽(yáng)光照射在染料敏化太陽(yáng)能電池上，染料分子中基態(tài)電子被激發(fā)，激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到納米多孔半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，注入到導(dǎo)帶中的電子迅速富

20、集到導(dǎo)電玻璃面上，傳向外電路，并最終回到對(duì)電極上。而由于染料的氧化還原電位高于氧化還原電解質(zhì)電對(duì)的電位，這時(shí)處于氧化態(tài)的染料分子隨即被還原態(tài)的電解質(zhì)還原。然后氧化態(tài)的電解質(zhì)擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子再生，如此循環(huán)，即產(chǎn)生電流。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，DSC電池的效率已經(jīng)超過(guò)了11%，并逐步走上了產(chǎn)業(yè)化道路。但有機(jī)染料敏化電池還存在以下問(wèn)題：（1）有機(jī)染料對(duì)近紅外光吸收相對(duì)較弱；（2）染料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性差；（3）染料的激發(fā)態(tài)壽命很短。(4) 金屬釕基有機(jī)分子是人們首選的染料，但是價(jià)格昂貴。因此染料敏化太陽(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)。量子點(diǎn)敏化劑可以很

21、好地解決有機(jī)染料存在的諸多問(wèn)題。量子點(diǎn)作為敏化劑主要有以下優(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。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。3.2量子點(diǎn)敏化研究進(jìn)展量子點(diǎn)敏化電極的制