量子点敏化太阳能电池研究进展中出现的问题及其解决方案.docx
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量子点敏化太阳能电池研究进展中出现的问题及其解决方案
量子点敏化太阳能电池研究进展中出现的问题及其解决方案
篇一：
量子点太阳能电池
量子点太阳能电池
摘要：
量子点太阳能电池属于第三代太阳电池，优异的特性使其保持器件性能的同时能大幅降低太阳能电池的制造成本，因而已成为当前的前沿和热点课题之一。
本文就量子点太阳能电池的基本原理，发展历史以及性能优化方案做了简单介绍，并对量子点敏化太阳能电池的发展做了阐述。
关键词：
太阳能电池、量子点、性能优化、敏化
太阳能电池是很有前景的可再生能源，有望解决日益加剧的能源危机。
一般来讲，太阳能电池基本上是一种大面积的不施加偏压的pn结器件。
当太阳光照射这种pn结器件时光能便转化为电能。
太阳能电池的主要参数包括短路电流（JSC）、开路电压（VOC）、填充因子（FillFactor，FF）、量子效率（QuantumEfficiency）、串联电阻（RS）和并联电阻（RSh）等。
光能转化为电能的过程简单来讲大体包括载流子的光产生、载流子分离和载流子输运等三个主要阶段。
当一个光子碰撞太阳能电池有源层时，若光子能量小于有源层材料的禁带宽度时，光子从太阳能电池有源层中透射而过；当光子能量等于或大于有源层材料的禁带宽度时，光子被太阳能电池的有源层吸收，多余的能量将会转化为热能。
在太阳能电池中，载流子的分离存在两种主要方式：
（1）载流子在电池内建电场作用下的漂移运动；
（2）载流子在电池中由于浓度梯度的存在
而产生的扩散运动。
在较厚的太阳能电池中由于在有源区不存在电场，载流子的主要分离方式是扩散，从而对于这些电池来说少数载流子的扩散长度必须要能与电池厚度相当。
在较薄的电池中，由于缺陷的大量存在少数载流子的扩散长度通常很短，因此载流子的主要分离方式是在内建电场作用下的漂移运动。
太阳能电池的n型半导体端和P型半导体端通过金属-半导体欧姆接触的方式形成两端电极，电极与外部负载相连。
在电子-空穴分离后，如果载流子还未到达两端电极，它们将主要通过扩散的方式在中性区运动。
n型半导体端自身所产生的电子以及通过半导体"结"收集的电子会通过n端电极、外部导线、负载到达P端金属-半导体接触电极，然后与P端空穴复合。
太阳能电池的研发经历了三个阶段，目前正从第一代基于硅片技术的第一代太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池过渡。
但第二代太阳能电池效率较低，稳定性也比较差。
因此第三代太阳能电池应运而生。
第三代太阳能电池是太阳能电池技术发展的前沿领域，现在仍处于研究发展阶段。
大体上来讲，第三代太阳能电池包含除了第一和第二代电池之外的所有太阳能电池技术，主要有有机半导体（聚合物或小分子）太阳能电池、量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机/无机杂化太阳能电池、双结/多结太阳能电池、中间带太阳能电池和热载流子太阳能电池等，这些电池分类之间既彼此独立又互有重叠。
第三代太阳能电池有望实现光电转换效率比第一代太阳能电池高的同时，保持第二代太阳能电池的低成本优势。
1.量子点太阳能电池
量子点基本原理
半导体量子点是一种准零维的纳米材料，一般由少量的原子构成，又称为半导体纳米超微粒。
半导体量子点是一种典型的小量子体系，常被称为“人造原子”、“超晶格”。
由于量子点三个维度的尺寸一般都在1~100nm之间，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，因而表现出不同于半导体体材料的特性，如量子限域效应、表面效应、量子尺寸效应等。
使其作为新型发光材料、光催化材料、光敏传感器等方面具有特殊的潜在应用前景。
与太阳能电池联系紧密的是量子尺寸效应、表面效应、多激子产生效应。
对于半导体材料来说，当其粒径尺寸下降到与其激子波尔半径相当时，将存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级，而且其能隙随粒径减小而不断变宽，这种现象被称之为量子尺寸效应。
量子尺寸效应可以使量子点在其吸收光谱中出现一个或多个明显的激子吸收峰并且随着量子点尺寸的减小而不断蓝移，因此可以通过改变量子点的尺寸来调控其光学吸收波长，从而使得胶体量子点在太阳能电池中的应用中具有了独特的优势。
表面效应，纳米材料所具有的另一个显著特点是比表面积大，纳米晶的尺寸越小，其比表面积越大，表面原子数占全部原子数的比例越高。
随着表面原子数的增多，表面原子配位不足，不饱和键和悬挂键增多，使表面能迅速增加。
其表面原子由于具有很高的活性，非常不稳定，很容易与其他原子结合。
胶体量子点表面大量的表面态缺陷会影响其光学及电学性
能，而且其巨大的表面能给量子点及其太阳能电池的制备、保存和使用带来了挑战。
因此研究评价并提高量子点太阳能电池的稳定性成为该领域的一项重要课题。
多激子产生效应是指单个入射光子可以产生两个甚至多个电子-空穴对（激子）的现象。
一个高能量入射光子（能量至少是材料禁带宽度的两倍）产生了一对高能激子，高能量的导带电子以碰撞电离的形式释放部分能量并回落到导带底，所释放的能量则引起一个甚至更多新激子的产生，从而一个入射光子最终产生了两个甚至多个激子。
可以说，多激子产生过程也是碰撞电离的过程，它是俄歇复合的逆过程。
量子点发展历史研究现状
XX年，sargent小组首次在胶体量子点中发现光伏效应，之后由PbS或PbSe量子点作为有源层的太阳能电池迅速发展。
不同的太阳能电池结构也逐渐得到开发，包括metal/CQD薄膜，oxide/CQD薄膜，organiclayer/CQD薄膜和CQD/CQD薄膜。
09年之前，简单三明治结构的肖特基太阳能电池被广泛研究，TCO或ITO作为衬底并与量子点形成欧姆接触，Ca，Mg和Al作为电极。
XX年，sargent小组报道了能量转化效率超过1%的PbS量子点/A1肖特基结太阳能电池，其短路电流密度、开路电压、填充因子和能量转化效率分别为/cm2、V、%和%。
XX年，Alivisatos小组利用PbSXSei_X合金量子点制备了ITO/PbSe/Al结构的肖特基结电池，其能量转化效率为%。
XX年，Alivisatos小组又利用直径为nm的超小PbSe量子点制备了ITO/PEDOT/PbSe/Al结构的肖特基结电池，
电池的能量转化效率达到了%。
尽管肖特基太阳能电池结构简单，容易制备，但是其自身存在一些缺点。
肖特基结位于电池的背电极，光从顶电极入射要穿过很厚的有源层才能达到金属背电极从而被收集，在此过程中，这些光生载流子特别是蓝光光生载流子非常容易复合损失掉。
若要提高蓝光波段的效率，有源层需要做的很薄，但这又限制了光吸收。
另外，肖特基电池的电压也普遍较低，其所使用的背电极为具有低功函数的金属，致使其稳定性一般较差。
与肖特基结太阳能电池相比，异质结电池由于结区处于器件中部，从而更有利于光生载流子分离和收集效率的提高，并且具有较高的开路电压和填充因子。
因此，异质结太阳能电池得到了迅速发展。
XX年，Carter小组和Nozik小组分别报道了利用Ti02和ZnO量子点作为n型材料与P型PbS量子点所形成的异质结电池，其室温能量转化效率分别达到
%和%，前者还首次在该类电池中得到了高于80%的峰值外部量子效率。
同年，Sargent小组报道了基于PbS量子点和TiO2半导体的耗尽异质结胶体量子点太阳能电池，电池效率达到%。
XX年，该小组又利用原子配体（单价卤素阴离子）对PbS量子点进行处理以提高其电导性并成功修饰其表面缺陷态，从而进一步将效率提高到了6%，XX年，该小组用Cl-1和MPA对FTO/（ZnO/TiO2）/PbSCQD/MoOX/Au/Ag结构的异质结电池进行钝化，得到了效率为7%的电池，这也是迄今为止红外量子点电池的最高能量转化效率。
量子点太阳能电池效率已经从XX年的5%提高到了XX年的7%，并且有望每年提高1%的效率。
XX年，AnnaLoiudice，AuroraRizzo等人将
篇二：
量子点太阳能电池简介
量子点太阳能电池简介
摘要：
量子点太阳能电池是第三代太阳能电池，也是目前最尖端、最新的太阳能电池之一，这种电池在使用半导体材料的普通太阳能电池之中，引入了纳米技术与量子力学理论，尽管目前尚没有制作出这种超高转换效率的实用化太阳能电池，但是大量的理论计算和实验研究已经证实，量子点太阳能电池将会在未来的太阳能转换中显示出巨大的发展前景。
简述了量子点太阳能电池的物理机理及研究内容。
关键词：
量子点，太阳能电池，机理
随着人类面临的环境与能源问题的持续恶化，加强环境保护和开发清洁能源是人类高度关注的焦点。
因此，近年来人们对太阳能开发和利用的研究进展极为迅速。
作为一种重要的光电能量转换器件，太阳能电池的研究一直受到人们的热切关注。
太阳能电池可以分为两大类：
一类是基于半导体p-n结中载流子输运过程的无机固态太阳能电池；另一类则是基于有机分子材料中光电子化学过程的光电化学太阳能电池。
单晶GaAs太阳能电池、晶体Si太阳能电池和Si基薄膜太阳能电池属于第一类，而染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池属于第二类。
第一类太阳能电池已经产业化或商业化，而第二类太阳能电池正处于研究与开发之中。
目前太阳能电池存在能耗高、光电转换效率低等缺点。
尽管人们已采用各种方法使太阳能电池的转换效率得到了一定改善，但尚不能使其大幅度提高。
找到一种更有效的途径或对策，使太阳能电池的实际能量转换效率接近其理论预测值，成为材料物理、光伏器件与能源科学的一项重大课题。
量子点是指三维方向尺寸均小于相应物质块体材料激子的德布罗意波长的纳米结构。
理论研究指出，采用具有显著量子限制效应和分立光谱特性的量子点作为有源区设计和制作的量子点太阳能电池，可以使其能量转换效率获得超乎寻常的提高，其极限值可以达到66％左右，而目前太阳能电池的主流晶体硅技术的光电转换效率理论上最多仅为30％。
尽管目前尚没有制作出这种超高转换效率的实用化太阳能电池，但是大量的理论计算和实验研究已经证实，量子点太阳能电池将会在未来的太阳能转换中显示出巨大的发展前景。
1量子点太阳能电池的物理机理
人们针对太阳能电池存在的能耗高、光电转换率低等缺点，提出了三套解决方案：
1）增加带隙数量，制作多带隙叠层太阳能电池；2）热载流子冷却前进行俘获；3）一个高能光子产生多个电子空穴对或者多个低能光子产生一个高能电子空穴对。
目前，方案1已经得到实际应用，后两套方案基于量子点产生的量子限制效应正处于研究之中。
半导体量子点太阳能电池作为第三代太阳能电池具有潜在的优势，它通过以下两个效应可以大大增加光电转换效率：
第一个效应是来自具有充足能量的单光子激发产生多激子；第二个效应是在带隙里形成中间带，可以有多个带隙起作用，来产生电子空穴对。
这两个效应的产生是因为量子点中的能级量子化。
能级量子化还会产生其它效应：
减缓热电子-空穴对的冷却；提高电荷载流子之间的俄歇复合过程和库仑耦合；并且对于三维限制的载流子，动量不再是一个好量子数，跃迁过程不必满足动量守恒。
提高转换效率的两种基本的方式（增加光电压或者增加光电流）理论上在三维量子点太阳能电池的结构中能够实现。
[1]
量子点多激子太阳能电池的机理
在一般的半导体太阳能电池中由碰撞电离引起的多个电子空穴对的形成对于提高量子产能并没有多重要的贡献，这主要是因为只有在光子的能量达到光谱的紫外区才会有可观的碰撞电离效应，而大多数半导体无法满足要求，原因有两个，一个是晶体的动量守恒，另外是碰撞电离的比率必须和由电子-声子散射引起的能量弛豫的比率接近。
在量子点体系中三维限制效应会形成分裂的量子化能级，能有效地减慢电声子的相互作用。
而且对于三维限制载流子，由于动能不再是一个好量子数，因此跃迁过程也不必满足动量守恒，这样碰撞电离效应可得到增强，热电子可产生多个空穴对，因此称为多电子产生。
多电子产生现象在不少纳米晶体中有报道，如PbSe、PbS、PbTe和CdSe等。
但目前实验研究中，基于量子点的光转换器件的量子产能还不理想。
量子点多激子增强效应机制尚处于研究阶段。
量子点中间带太阳能电池的机理
中间带材料是在传统半导体材料的价带和导带之间存在一个中间带。
由于中间带的形成，电子会从价带跃迁到中间带，以及从中间带跃迁到导带，使低于带隙能量的光子也能够对电池的光电流产生贡献。
中间带可通过尺寸为纳米量级的半导体量子点镶嵌在三维的宽带隙半导体材料中来实现—量子点为势阱，宽带隙半导体为势垒。
通过调制阱宽可实现不同的
[2]
量子限制效应；改变能级分裂的距离，可以形成不同的带隙宽度。
（a）（b）
图2，（a）中间带材料的结构；（b）量子点中间带太阳能电池的能级构造
中间带太阳能电池能够捕获和吸收低于带隙能量的光子，使太阳能电池可以在没有电压降低的情况下提高光电流，因此它是目前第三代太阳能电池研究中最为活跃的领域之一。
在中间带太阳能电池需要解决的基本问题中，最关键的是光的有效吸收问题。
为了使光子有最大能量输出的同时使载流子的热损失最小，具有一定能量的光子应首先被相应的最宽的能隙吸收（不同带隙主要吸收与能隙宽度相近能量的光子，避免高能量的光子被窄能带先吸收），同时要求价带到导带的吸收系数比价带到中间带的吸收系数大，价带到中间带的吸收系数比中间带到导带的吸收系数大。
其次是要求中间带必须是半满的，且应有足够的电子空穴对浓度，能够满足电子从价带到中间带的跃迁和中间带到导带跃迁的要求。
上述要求在
实验上是不容易满足的，因此寻找满足上述要求的中间带材料是实现高效中间带太阳能电池的关键之一。
2量子点太阳能电池研究内容介绍
量子点敏化太阳能电池
量子点敏化太阳能电池，是以染料敏化太阳能电池（DSSC）为基础构造的，两者的工作原理相似，只是前者选择窄带隙半导体量子点替代有机染料分子作为光敏剂连接到宽带隙半导
[3]体如TiO2、ZnO和SnO2等阳极材料上使其达到敏化效果。
量子点敏化太阳能电池包括导
电玻璃、光阳极、光敏剂、电解质和对电极5个部分。
其中光阳极即是量子点附着和光生电子注入的载体，一般是具有长电子扩散长度的宽禁带半导体制成的多孔电极。
目前，光阳极材料的研究主要集中在TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5和In2O3等二元半导体氧化物上。
对光阳极的形貌和成分调控是提高量子点敏化太阳能电池效率的一种途径，也是研究的热点和重点。
量子点敏化太阳能电池研究很多。
文献[4]综述了光分解沉积法简单工艺制备金属硫化物量子点—TiO2太阳能敏化电池。
图2，量子点敏化太阳能电池示意图
量子点太阳能电池材料及其机理研究
许多科研实验设计不同材料不同结构的量子点太阳能电池，证明了量子点的多激子产生、中间带效应会提高量子点太阳能电池电流密度和转换效率。
常见的量子点材料有InAs/InGaAs，InAs/GaAs。
有研究者证明Sb调节生长方式是一种构造超高密度量子点结构太阳能电池的可行行为。
为了核实在高聚光条件下量子点太阳能电池吸收光谱的提高，美国国家可再生能源实验室研究了在高强度照射下比较了有20层量子点的太阳能电池和常规GaAs电池的短路电流和光电转换效率，如图3所示，提高是很明显的。
图3功率效率和短路电流密度的对比
ZusingYang等制备了CdHgTe和CdTe量子点太阳能电池，具有优良的光电转换效率。
[6]Sugaya等人用间断沉积法制备了InGaAs量子点太阳能电池。
[5]
量子点太阳能电池器件及其结构研究
目前量子点太阳能电池结构常用的是P-i-n结构，最早应用于非晶Si太阳能电池，其
[7]主要目的是利用p-n结自建电场对i层光生载流子所产生的漂移作用提高收集效率。
Seth
[8]Hubbard和RyneRaffaelle为了提高太阳能电池的转换效率，在XX年构造了InAs/GaAs
量子点提高太阳能电池，并证实了增加量子点的层数能提高量子点太阳能电池的外量子效率，也会影响电池的转换效率。
他们将InAs量子点嵌入到GaAs的p-i-n太阳能电池的中间，如图4所示。
图4，p-i-n结构量子点太阳能电池
Takata等人利用应变补偿技术在GaAs衬底上生长20、25、100层InAs/GaNAs叠层，构造了量子点中间带太阳能电池，如图5所示。
[9]
图5，多层量子点太阳能电池结构
3小结与展望
量子点太阳能电池有着良好的应用前景，其中量子点敏化太阳能电池距离商业化应用最为接近，但真正意义上的量子点太阳能电池—基于多激子产生效应设计和制作的太阳能电池，还有待深入研究。
同其它许多具有应用前景的项目一样，量子点太阳能电池研究领域还有很多工作要做，首先是光电转换机制的研究，然后是材料的制备，还有器件的组装以及成本问题。
相信在众多科研人员的努力下，量子点太阳能电池会尽快为解决人类的环境与能源问题作出贡献。
参考文献
[1]姜礼华,曾祥斌,金韦利,张笑.硅量子点在太阳能电池中的应用,激光与光电子学进展,XX.
[2],,,etal.ThinSolidFilms,516（XX）,6943-6947.
[3]刘铭，杨君友，冯双龙，朱虎.量子点敏化太阳能电池研究进展.功能材料,XX.
[4]HiroakiTada,MusashiFujishimaandHisayoshiKobayashi.Photodepositionofmetalsulfidequantumdotsontitanium（IV）dioxideandtheapplicationstosolarenergyconversion.,XX.
[5]ZusingYang,Huan-TsungChang.SolarEnergyMaterialsandSolarcells,94（XX）,2046-2051.
篇三：
半导体敏化太阳能电池发展面临的突破
半导体敏化太阳能电池的突破
[摘要]半导体敏化太阳能电池在过去数年已引起越来越大的兴趣。
这类电池开始时转化效率非常低，现在迅速发展到转化效率达到4-5%。
本文从三方面分析了优化提高太阳能电池的性能的途径：
（1）材料：
不仅包括光吸收材料，也包括电子和空穴导体、对电极材料；
（2）通过表面处理来控制电子-空穴复合和能带排列；（3）发展具有增强光捕获和采集性能的纳米复合吸收材料。
我们认为这些关键点可以使半导体敏化太阳能电池的设计和发展取得重要突破。
[正文]纳米技术被认为将使工业发生革命性的变化，通过纳米技术降低装置费用和提高效率，可使光电能源费用大大降低，产生显著的经济效益。
传统的硅太阳能电池依赖高品质的材料，吸收光之后，产生的载流子将留在相同的材料中直到它们在选择性接触中被提取；为了阻止载流子提取前复合，必须采用高成本的尖端技术。
相反，纳米尺度的吸收材料可以迅速把光生载流子分离到两个介质中，对材料品质不需苛刻要求，因此，大大减少了制造费用。
吸收材料把光生载流子（电子和空穴）分离到两种介质中的概念，在染料敏化太阳能电池中被详细研究。
其中，电池由辅助的纳米结构电子和空穴传输材料构成，染料分子起到吸收剂的作用。
半导体敏化太阳能电池从极低的转化效率迅速发展到接近4-5%。
另一方面，半导体材料构成了控制了能源市场-光伏器件的基础。
当这些材料变成纳米尺度时，由于量子限制效应，出现了新的和奇特的性质。
此外，块体材料的某些性质，如高吸光系数在在纳米尺度时仍然保留。
半导体量子点（QDs）具有大的固有偶极矩，它们的带隙可以通过尺寸和形状来调节，这一特性为吸光材料的纳米设计提供了一个极好的工具。
更为重要的是，半导体量子点或薄膜的生产比块体便宜，它们的合成温度更低，并且可以采用液相方法。
从这个意义上说，半导体量子点是发展敏化太阳能电池的优秀材料。
使用半导体作为增敏剂可以追溯到上世纪90年代。
然而，直到最近几年，由于很多因素半导体敏化太阳能电池SSC才又被重视：
纳米技术的发展使得半导体量子点和薄膜的制备及表征变得容易；染料敏化太阳能电池DSC的许多实验结果可应用到半导体敏化电池。
所以，这种器件目前受到越来越多的研究小组重视。
Figure1.Generalschemeofasemiconductor-sensitizeddevice.Lightgenerateselectron-holepairsinthesemiconductorabsorber;theelectronisinjectedinananostructuredwidebandgapsemiconductor（,TiO2,ZnO）employedasanelectronconductor,anditistransportedinthismediumtothetransparentconductiveoxide（TCO）usedasacollectingsubstrateandlightwindow.Thesemiconductorisregeneratedbyreducingspeciesintheelectrolytethatactsasahole-transportermedium.Finally,theholeis
transportedtothecounterelectrode,wheretheoxidizedcounterpartofaredoxsystemisreduced.Inasolid-statesystem,theliquidelectrolyteissubstitutedbyasolidholetransporter.Thelight-harvestingmaterialisasemiconductorthatusuallytakestheformofdiscreteparticles,asrepresentedinthisscheme,oramorecontinuousthinlayer.Theformercanproducequantumconfinementandareusuallyknownasquantum-dot-sensitizedsolarcells（QDSCs）.Thelatteriscommonlyknownasextremelythinabsorber（eta）solarcells,butthegeneralprocessestakingplaceonbothconfigurationsarequiteanalogousandcanbegroupedwiththemoregenericdenominationofSSCs.
最近几年，SSC效率在完全光照下（at1sun）增长到了4-5%，但仍然落后于DSC。
然而，SSC性能的进一步提高是可以预见的。
在这篇文章中，我们认为，提高效率的突破性进展可以从下面三方面考虑，
（1）材料
（2）表面处理（3）纳米复合吸收材料（nanocompositeabsorbers）。
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