硅量子点在太阳能电池中的应用_姜礼华

激光与光电子学进展47,082501(2010)

Lase r &Opto elec troni c s Pro g res s o

C 2010中国激光杂志社doi:10.3788/LO P47.082501硅量子点在太阳能电池中的应用

姜礼华1 曾祥斌1 金韦利2 张 笑

11华中科技大学电子科学与技术系,湖北武汉4300742江西蓝天学院电子信息工程系,江西南昌330098

摘要 阐述了当前硅量子点(Q Ds)太阳电池的发展概况。介绍了量子限制效应引起的碰撞电离和多激子产生现

象,分析了硅量子点太阳电池设计理论。同时介绍了硅量子点当前几种制作工艺,详细阐述了硅量子点从富硅层

中析出工艺。最后,介绍了硅量子点太阳电池的几种结构形式,如叠层结构、P N 结构和中间带隙结构。

关键词 光电子学;硅量子点;碰撞电离;电子空穴对倍增;太阳电池结构

中图分类号 T N245 OCIS 250.5590270.0270 文献标识码 A

Application of Silicon Quantum Dots in Solar Cells

Jiang Lihua 1 Zeng Xiangbin 1 Jin Weili 2 Zhang Xiao 11Depa r tm ent of Electr on ic Scien ce an d T echn ology ,Hu azhong Un iver sity of Scien ce a n d T echnology ,

Wu han ,Hubei 430074,Chin a

2Depar t m en t of Elect r on ic In for m a tion En gineer ing ,J ian gx i Bluesky Un iver sity ,

Nan chan g ,Jia ngx i 330098,China

Ab stract The current development situation of silicon quantum dots (QDs)solar cells is described.The mult-i

exciton phenomenon generated by the impact ionization due to the quantum c onfinement effect is introduced,and the

silicon Q Ds cell design theory is ana lyzed.Meanwhile,several current production proc esses of the silicon quantum

dots at present,and the deta iled precipitation process of silicon quantum dots from silicon -rich silicon layers a re

presented.Finally,severa l kinds of configurations of t he silic on QDs cells such a s tandem solar cells,PN junction

solar cells,and intermediate band -gap solar cells are introduced.

Key words optoelectronics;silicon quantum dots;impact ionization;electron -hole pair multiplication;solar cells

configuration

收稿日期:2009-12-28;收到修改稿日期:2010-02-26

基金项目:广东省产学研项目(2006D90404017)资助课题

作者简介:姜礼华(1982))男,博士研究生,主要从事硅基太阳能电池方面的研究。E -mail:jlihua107@https://www.wendangku.net/doc/4d5675967.html,

导师简介:曾祥斌(1962))男,博士,教授,主要从事大尺寸微电子学与透明电子学、太阳电池和光伏系统的设计与制备等方面的研究。E -mail:eex bzeng @https://www.wendangku.net/doc/4d5675967.html,(通信联系人)

1 引 言

目前太阳能电池存在能耗高、光电转换效率低等缺点,其光电转换效率皆低于理论预测值的重要原因之一是不能充分利用太阳光。电池太阳光损失机制主要有是能量低于带隙的光子不能被吸收和能量大于带隙的光子存在热损失。人们已提出3套方案解决此问题: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[1]。目前方案1)已经得到实际应用,后两套方案基于量子点(QDs)产生的量子限制效应正处于研究之中。2002年,

A.J.Nozik [2]发现某些半导体量子点在蓝光或紫外线照射下能释放出两个以上电子。2004年,R. D.Schaller 等[3]

在实验中观察到PbSe 量子点产生多个电子空穴对的现象,首先证实了A.J.Nozik 理论的正确性。2006年,该小组[4]又用高能紫外线照射PbSe 和PbS 量子点时发现吸收一个高能光子可产生7个电子空穴对,大大提高了光量子产额。由此,人们设想利用量子点的这种特性可以提高太阳电池光电转换效率,即设计量子点太

阳电池。A.J.Nozik [2]认为把量子点作为太阳电池有源区理论上光电转换效率可以达到66%,目前量子点太阳电池正处于理论和实验初步研究之中。2007年,M. C.Beard 等[5]采用超快速瞬态吸收谱实验观察到了胶体

硅纳米晶粒中多电子空穴对产生过程。本文由量子限制效应引起的碰撞电离和多激子产生现象给出了硅量子点太阳电池的设计理论,对硅量子点的几种制作工艺以及硅量子点太阳电池设计结构做了阐述。

2 硅量子点太阳电池设计理论

由于量子点内的电子运动空间被局限于小于电子本身德布罗意波长的范围内(几十纳米量级),电子的波动性将成为其主要运动特征,其经典运动规律(粒子性)不再起作用。此时将产生一系列量子效应,如表面效应、库仑阻塞效应、量子限制效应[6]、共振隧穿效应、小尺寸效应以及由于碰撞电离产生多激子等。这些现象利于量子点太阳电池的设计与应用。随着硅量子点尺寸的减小,量子限域能增大,带隙增宽。S.W.Par k 等[7]发现通过调控SiO 2基质中硅量子点的大小可以控制硅量子点带隙宽度。另外,对于含有纳米量子点纳米硅薄膜(晶态体积分数在50%左右)有一个重要特性是它具有非常高的电导率和极低的电导激活能,电导率比本征单晶硅高出几千倍。这种高电导主要来自于晶粒传导,大量的非晶界面区可视为绝缘层,量子点网络中电子便以热辅助隧穿方式越过晶间势垒,这种特性提高了载流子在硅纳米薄膜中的输运能力[8]。由于量子点三维限制效应,载流子能量密度态具有离散特征,因而促使声子对电子散射作用减弱,载流子冷却速率被有效降低。同时,三维量子限制效应提高了激子间库仑作用势和弱化了载流子动量匹配条件。以上引起碰撞电离率大大提高,这样在具有量子限制效应的半导体量子点中多激子能很有效地产生。然而在体半导体中这种多激子产生率是很低的。因为载流子的复合速率要远大于碰撞电离率,且碰撞电离发生所要求的能量阈值较高[2,3,5,9]。碰撞电离导致多激子产生是设计硅量子点太阳电池可行性的一个重要图1一个高能光子产生两个载流子对的碰撞电离结构图Fig.1Schematic of tw o car rier s generated by a high ener gy pho ton due to impact io nizat ion

原理,由一个高能光子因碰撞电离产生多个载流子对的

示意图如图1所示[2,9]。

然而,并不是存在量子点就可以发生碰撞电离现象。

碰撞电离的有效发生需要入射光子能量至少为量子点带

隙能量的2倍,只有满足此条件的材料才能设计多激子

发生的量子点太阳电池[10,11]。2007年,M. C.Beard

等[5,12]采用超快速瞬态吸收谱实验观察到当硅纳米晶粒

尺寸为9.5nm 时,硅量子点带隙为1.2eV,导致多激子

产生的光子能量阈值为2.4eV 左右;当光子能量为带隙

的3.4倍时,获得多激子产生的量子产额为260%[5,12]。

2008年,Peng Yingcai 等[12,13]实验发现当硅量子点尺寸

为3.1nm ,相邻量子点间距为3nm 左右时,入射光子能

量在3eV 左右可产生双光子现象。3 硅量子点制作工艺

获得高光电转换效率硅量子点太阳电池的最关键技术是制作分布均匀、大小合适且均一、量子点间距满足载流子高效输运的硅量子点。在硅量子点太阳电池中,量子点大小和间距对载流子迁移率有很大影响。载流子迁移率对硅量子点间距一致性的依赖程度同量子点尺寸变化相比更强[14]。为制取规则排列、密度分布均匀且尺寸易控制的硅量子点,本课题组已采用光刻制备排列规则的种晶和后续镀膜退火的工艺,试图获取合格的硅量子点并设法运用于太阳能电池有源区,目前正处于分析检测阶段。一般人们从两个方向上(即/bottom up 0and /top dow n 0)采取多种技术制作硅量子点[15]。/bo ttom up 0法通常是采用化学或真空沉积技术从单个原子或分子上生长量子点,包括气相沉积、高温喷雾反应、通过溅射相分离富硅氧化物(SRO)、反应溅射、化学气相沉积(CVD)[16]、Si 离子植入SiO 2衬底法、激光熔蒸等。/top dow n 0法通常采用破碎体材料的方式产生硅纳米晶,包括机械研磨、电化学腐蚀硅衬底等。采用离子植入方法获得的硅量子点位置分布

一般不规则并且尺寸较大难控制,机械研磨法获得的硅量子点大小不一。2009年,K.M.Lee等[17]在低温下(低于200e)通过控制NH3/SiH4的比例采用接触反应CVD得到了线度为3.5~5nm的纳米晶硅。

澳大利亚新南威尔士大学马丁格林课题组[15,18~21]通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或反应溅射法轮流沉积富硅氧化物(或富硅氮化物或富硅碳化物)和硅氧化物(或硅氮化物或硅碳化物),采取类似制作超晶格的方式经过富硅层退火后形成硅量子点。富硅氧化物(或富硅氮化物或富硅碳化物)以障碍物的形式阻碍硅原子扩散,因此过量的硅在退火过程中以纳米晶的形式凝析出来形成硅量子点,具体示意图如图2所示。凝析出来的硅量子点平均线度一般在3~10nm[15]。量子点在垂直于富硅氧化物(或富硅氮化物或富硅碳化物)面方向的线度由富硅氧化物(或富硅氮化物或富硅碳化物)层厚度决定,而平行于富硅氧化物(或富硅氮化物或富硅碳化物)面方向的线度一般不好控制[18,22]。获得的硅量子点低、高分辨率透射电镜

(T EM)图如图3所示[19]。采取同样的方法,M.Ficcadenti等[23]

在富硅氧化物中凝析出了硅量子点。

图2单层富硅基质(a)和多层富硅基质(b)中

硅量子点凝析结构图

F ig.2Si QDs fro m phase separation of sing le silicon-r ich

precursor lay er(a)and multila yer str ucture(

b)

图3SiO2基质中Si量子点低分辨率(a)和

高分辨率(b)

Fig.3Lo w-resolution(a)and high-r eso lutio n(b) T EM images of Si QDs in SiO2matr

ix

图4单晶硅(c-Si)及其碳化物、氮化物以及氧化物能隙图F ig.4Bulk band alig nments betw een cr ystalline silicon

(c-Si)and its car bide,nit ride and its o xide

采取最佳的硅量子点制作工艺对未来硅量子点太

阳电池规模化应用极其重要,马丁格林课题组把获得的

硅量子点应用在太阳电池上得到了10.58%[19]和

13.01%[20]的光电转换效率。他们认为,在硅氧化物、氮

化物和碳化物中,硅量子点镶嵌在硅碳化合物基质中最

有利于载流子输运和量子点间电子发生隧穿,这样硅量

子点尺寸就不必做得很小,量子点间距离也可适当增

大[18]。因为硅碳化物在三者中带隙最小,如图4所

示[18],电子波函数衰减长度最大[15]。然而,碳化物中硅

量子点的量子限制效应很难获得,这可能与大量表面缺

陷态相关[15]。同硅氧化物和氮化物相比,碳化物富硅层

中的硅原子缺乏活性,因为硅碳化物中Si-Si和Si-C

键能差相比硅氧化物和氮化物较小。另外,也可能与SiC和Si为等电子共价带相关[15]。如何更好地制作硅量子点以及提高载流子隧穿特性还需继续研究。

4硅量子点太阳电池结构

4.1叠层电池

硅不仅对于单PN结电池,而且对于双结或三结叠层结构太阳电池均具有理想的带隙。当只考虑辐射复合和Auger复合时单结硅电池效率极限可达29%,但采取双结和三结叠层结构时效率可分别增加到42.5%和47.5%[15]。对于硅电池为底的双结叠层电池顶电池带隙为1.7~ 1.8eV时可以达到最大转换效率,对于三结叠层电池,中间电池带隙为1.5eV,顶电池带隙为2.0eV时电池效率最佳[15,24]。在实验中发

图5硅电池为底叠层的硅量子点三层(a)和两层(b)太阳电池Fig.5Schematic o f thr ee -cell (a)and t wo -cell (b)tandem solar cell with Si bo ttom cell 现不同尺寸硅量子点,量子点带隙宽度不一样[7]。由此

可以通过控制不同尺寸的硅量子点做叠层太阳能电池,

其结构示意图如图5所示[15]。量子点叠层太阳电池的

最大挑战就是获得足够的载流子迁移率和提高电导率。

这就要求量子点间距和基质带隙要足够小以便量子点波

函数发生重叠;另外,叠层电池每个单元要存在一个能使

载流子分离的结。此时,就要对每个电池单元采取掺杂

形成PN 结或采取PIN 结构形式,形成有效内建电场分

离光生载流子[17]。

4.2 PN(或PIN)结太阳电池

类似于传统单晶硅太阳电池PN 结结构,硅量子点太

阳电池也可对量子点进行掺杂然后采取PN 结结构实现

对光生载流子的分离。硼、

磷掺杂是硅半导体惯用掺杂物

图6N 型硅量子点/P 型单晶硅太阳电池示意图Fig.6Schematic of N -type Si QD/P -ty pe c -Si pho tovo ltaic device 质,掺杂后可以提高载流子数量和电导率,并且可以调整

量子点光学特征。但对硅量子点进行掺杂存在两个理论

方面问题:1)硅纳米晶的掺杂形成能要高于体硅,可能在

热动力学方面不支持掺杂[25~27];2)纳米硅晶粒尺寸不断

减小时,界面面积和体积的比率随着晶粒尺寸减小而显著

增大。这可能会使杂质从量子点内扩散出去[25,27,28]。尽

管理论上掺杂还存在困难,但实验上认为对硅量子点掺杂

是有效的[25,27,19]。E. C.Cho 等[19]对硅量子点进行磷掺

杂,并以P 型单晶硅为衬底制作成了PN 结型太阳电池,

其光电转换效率最大达10.6%,电池结构如图6所示,电池I -V 曲线如图7所示。另外,为了避免硅量子点掺杂理

论上的困难,可以采取类似PIN 型非晶硅太阳电池结构,

硅量子点层作为本征层。V.Aroutiounian 等[29]

计算发现

图7298K 下N 型硅量子点/P 型单晶硅太阳电池I -V 曲线Fig.7I -V cur ves of N -ty pe Si Q Ds/P -type c -Si sola r cells measured at 298K

把量子点作为PIN 型电池本征层之后可以明显提高电池

短路电流改善电池效率。

4.3 中间带隙量子点太阳电池

为了充分利用太阳光谱提高光生电流和开路电压,

V.Popescu 等[30]提出了中间带隙太阳能电池概念

(IBSC)。它的主要思想是通过在导带和价带之间引入

电子部分占满的半导体中间带吸收层,使低能光子有可

能被价带电子吸收然后跃迁到中间带,然后它再吸收另

一个低能光子从中间带跃迁到导带。他们所选的中间带

就是自组装形成的In y Ga 1-y As 量子点。同样,硅量子点

太阳电池也可以采取这种形式进行尝试。相信,随着以

后对硅量子点太阳电池不断深入研究,硅量子点太阳电

池结构一定会取得新进展。5 总结与展望

本文介绍了量子限制效应引起的碰撞电离和多激子产生现象以及硅量子点太阳电池设计理论。目前,碰撞电离产生多激子具体过程还缺乏详细且公认的理论解释。此外,怎样把激子分离为自由载流子并收集

起来运用到太阳电池的外电路中还需继续研究[5]。本文给出了当前几种硅量子点制作工艺,展示了硅量子

点太阳电池可能的制作结构。大量理论和实验研究发现硅量子点具有量子限制效应,经过合理设计硅量子点尺寸和间距通过碰撞电离可产生多激子或者提高热载流子利用率,因此硅量子点太阳电池较目前硅基太阳电池有更大光电转换效率。为更好响应太阳光谱吸收更多光子,硅量子点尺寸、间距以及镶嵌在何种基质中尚需理论和实验进一步探索。当前采取类似制作超晶格方式经过富硅层退火后形成的硅量子点大小和间距一致性不易控制,且一般在1100~1300K高温下退火1h左右才能凝析出硅量子点[19]。这种方式能耗高、时间长,不利于硅量子点太阳电池未来发展。因此,探索一种能在低温下快速形成大小均一、排列规整且符合硅量子点在太阳电池内高效应用条件的工艺也是一个亟待解决的问题。硅量子点制作工艺、多电子空穴对产生、提高载流子输运能力和电池结构设计是提高硅量子点太阳电池光电转换效率几个重要环节,随着这些问题的解决,高光电转换效率硅量子点太阳电池必然是一种规模化应用的绿色环保能源。

参考文献

1G.Conibeer,M.Gr een, E. C.Cho et al..Silico n quantum dot nano st ruct ur es fo r tandem phot ovo ltaic cells[J].Thin Solid Fil ms,2008,516:6748~6756

2A.J.No zik,Q uantum do t so lar cells[J].Phy sica E,2002,14:115~120

3R. D.Schaller,V.I.K limo v.H ig h eff iciency car rier multiplication in PbSe nano cry sta ls,implications for so lar energ y conver sion[J].Phy s.Rev.Lett.,2004,92(18):186601

4R. D.Schaller,M.Sykor a,J.M.Pietr ya et al..Sev en ex citons at a cost o f o ne:redefining the lim its for co nv ersion efficiency o f pho tons int o cha rge car rier s[J].N ano L ett.,2006,6(3):424~429

5M. C.Bear d,K.P.K nutsen,P.Yu et al..M ultiple ex cito n g ener ation in co lloidal silico n nano crystals[J].Nano L ett., 2007,7(8):2506~2512

6Y.A rakaw a,S.I wamot o,S.K ako et al..Advances in quantum do ts for classical and non-classical lig ht so ur ces[J].

Chin.Op t.Lett.,2008,6(10):718~723

7S.W.Par k, E. C.Cho, D.Y.So ng et al..N-T y pe silico n quantum do ts and P-t ype cry stalline silicon hetero face solar cells [J].Solar Ener gy M ater ials&S olar Cells,2009,93:684~690

8H e Yuliang,Wei Ya yi,Yu M ing bin et al..A n ex plo rato ry study of the conduction mechanism o f hydro genated nano-cr ystalline silicon films[J].Res ear ch&P r ogr ess of S SE,1997,17(2):193~201

何宇亮,韦亚一,余明斌等.对纳米硅薄膜高电导机制的探讨[J].固体电子学研究与进展,1997,17(2):193~201

9K.T anabe.A r ev iew o f ultrahigh efficiency III-V semico nduct or com pound solar cells:mult ijunction tandem,low er dimensional.pho tonic up/dow n conversio n and plasmonic nanometallic str uctur es[J].Ener gies,2009,2:504~530

10M. C.Hanna,R.J.Elling son,M.Bear d et al..Quantum dot so lar cells:high efficiency throug h multiple ex citon

g ener ation[C].2004DOE Solar Energ y T echnologies Pr ogr am Review M eeting N REL/CP-590-37036,Color ado,

2004.2005

11R.J.Ellingson,M. C.Beard,J. C.Johnson et al..Highly efficient multiple ex citation generat ion in co lloidal PbSe and P bS quantum do ts[J].N ano Lett.,2005,5(5):865~871

12Peng Ying ca i,F u G uang sheng.A ppro ach to quant um do t so lar cells[J].Chinese J.Mater ials Resear ch,2009,23(5): 449~457

彭英才,傅广生.量子点太阳电池的探索[J].材料研究学报,2009,23(5):449~457

13D.T immer man,I.Izeddin,P.Stalling a et al..Space-separated quantum cutting w it h silicon nano crystals for photo vo ltaic applications[J].N atr ue P hotonics,2008,2(2):105~109

14C.W.Jiang,M. A.Gr een.Silico n quantum do t superlattices:modeling of energ y bands,densit ies o f states,and mo bilit ies for silico n tandem so lar cell applications[J].J.Ap p l.Phy s.,2006,99(11):114902

15E. C.Cho,M. A.G reen,G.Co nibeer et al..Silicon quant um do ts in a dielectric matr ix fo r A ll\Silico n tandem sola r cells [J].Ad vances in Op toE lectr onics,2007,69578:11

16Y u Y uang ao,H ou Guofu,Wang Rui et al..M icrocr ystalline silico n and its a pplicat ion in so lar cells[J].Las er& O p toelectr onics Pr ogr ess,2006,43(8):48~54

俞远高,侯国付,王锐等.微晶硅材料及其在太阳能电池中的应用[J].激光与光电子学进展,2006,43(8):48~54 17K.M.L ee,T.H.K im,J. D.H wang et al..Size co ntr ol of silicon nanocry stals in silicon nitr ide film deposited by catalytic chemical v apo r depo sitio n at a low temper ature([200e)[J].Scr ip ta M ater ialia,2009,60:703~705

18G.Conibeer,M.Gr een,R.Cor kish et al..Silicon nano structur es for thir d generat ion photo voltaic so lar cells[J].Thin Solid Fil ms,2006,511~512:654~662

19E. C.Cho,S.Par k,X.Hao e t al..Silicon quantum dot/cry stalline silicon so lar cells[J].N anotechno logy,2008, 19:245201

20S.P ark, E. C.Cho,X.H ao et al..Study o f silico n quantum dot p-n o r p--i n junctio n devices o n c-Si substr at e[C].

Op toelectr onic and M icr oelectr onic M ater ials and Dev ices(COM M A D),2008Conf er ence on Sy d ney,A ustr alia,2008,

316~319

21P.L oper, A.Har tel,M.K unle et al..Silicon quantum dot abso rber layer s for al-l silicon tandem solar cells:optical and elect rical char act erizatio n[C].Pr es ented at the24th Eur op ean Photovoltaic Sol ar Ener gy Conf er ence and Ex hibition21-25 Sep tember2009,Germany,2009

22K ovacev ic,P.Dubcek,S.Dug uay et al..Silico n nanoparticles for mation in annealed SiO/SiO2mult ilay ers[J].2007, Phy s ica E,38:50~53

23M.Ficcadenti,N.P into,L.M or resi et al..Si quantum dots for solar cell fabr ication[J].Mater ials Science and

E ngineer ing B,2009,159~160:66~69

24F.M eillaud, A.Shah, C.D roz et al..Efficiency limits fo r sing le-junctio n and tandem solar cells[J].Sol ar Ener gy M aterials and Solar Cells,2006,90:2952~2959

25X.J.Hao, E. C.Cho, C.Flynn et al..Synthesis and character ization of bor on-do ped Si quant um dots for al-l Si quantum dot tandem so lar cells[J].Solar Ener gy M ater ials&S olar Cells,2009,93:273~279

26G.Cantele, E.D eg oli, E.L uppi et al..Fir st-pr inciples study o f n-and p-doped silicon nanocluster s[J].Phy s.Rev.B, 2005,72:113303

27X.J.H ao, E. C.Cho,G.Scardera et al..Effects of phospho rus doping on structural and o ptica l propert ies o f silicon nanocry st als in a SiO2mat rix[J].T hin S olid Films,2009,517:5646~5652

28S. C.Er w in,L.Zu,M.I.Haftel et al..Do ping semiconductor nanocr ystals[J].N ature,2005,436(7047):91~94

29V.A r outiounian,S.Petr osyan, A.K hachatr yan.Quantum dot sola r cells[J].J.Ap p l.Phy s.,2001,89(4):2268~ 2271

30V.P opescu,G.Bester,M. C.H anna.et al..T heor etical and ex per imental ex amination of the intermediate-band concept fo r stra in-balanced(In,G a)A s/Ga(A s,P)quantum dot so lar cells[J].Phy s.Rev.B,2008,78(20):205321

(完整版)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]：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。 1.1 量子点多激子太阳能电池的机理

量子点敏化太阳能电池

研究生课程考试 小论文 课程名称：光伏材料与器件基础 论文题目: 量子点敏化太阳能电池的研究论文评分标准 论文评语: 成绩: 任课教师: 评阅日期:

目录 摘要 (1) Abstract (1) 1 光敏化太阳能电池 (2) 1.1 染料敏化太阳能电池 (2) 1.2 量子点敏化太阳能电池 (2) 2 量子点敏化太阳能电池的研究背景 (3) 2.1 量子点敏化太阳能电池的结构 (3) 2.1.1 透明导电玻璃 (3) 2.1.2 光电极 (3) 2.1.3 量子点光敏剂 (4) 2.1.4 电解质 (4) 2.1.5 对电极 (5) 2.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理 (5) 2.3 量子点敏化太阳能电池的优势 (6) 2.3.1 量子限制效应 (6) 2.3.2 碰撞离化效应与俄歇复合效应 (7) 2.3.3 小带效应 (7) 2.4 量子点敏化太阳能电池的发展现状 (8) 2.5 量子点敏化电极的制备方法 (9) 3 量子点敏化太阳能电池的性能改善 (9) 3.1 量子点敏化太阳能电池研究进展中出现的问题[31] (9) 3.2 提升量子点敏化太阳能电池性能的方法 (10) 3.2.1 防护层处理 (10) 3.2.2 掺杂 (10) 3.2.3 共敏化 (10) 结论 (11) 参考文献 (12)

量子点敏化太阳能电池的研究 摘要：量子点敏化太阳能电池是兼具低成本和高理论转化效率的第三代太阳能电池。量子点敏化太阳能电池发展至今，其效率已经突破了5%，但是与染料敏化电池12%的效率相比还是存在着较大的距离。通过阅读这方面的相关文献，阐述了量子点敏化太阳能电池的结构（TCO、光电极、光敏化剂、电解质和对电极）、工作原理、优势、电极的几种制备方法及发展现状。从电荷复合、量子点的光捕获、光阳极的结构、电解质和对电极5个方面分析了量子点敏化电池效率低下的原因。同时，从方法的角度出发，介绍了防护层处理，掺杂和共敏化三种方法对量子点敏化太阳能电池性能的提升作用。 关键字：量子点敏化、太阳能电池、进展、性能提升 Abstract：Quantum dot-sensitized solar cells are regarded as a potential low-cost and high-efficiency photovoltaic cell as the third generation solar cell.The efficiency of the quantum dot-sensitized solar cells have broken through 5% up to now. But there is a large distance between the efficiency of the quantum dot-sensitized solar cell with that of the dye sensitization solar cell which is 12% . By reading the literature, and expounds the structure (TCO, light electrode, photosensitive agent, electrolyte and the electrode), working principle, advantages , several kinds of preparation methods and the current situation of the quantum dot-sensitized solar cell.Five aspects which are charge recombination, light harvesting, the structure of photoanode, the electrolyte were put forward as the reasons for the low efficiency of the quantum dot-sensitized solar cells. At the same time,from a methodological point of view,three methods that improved the performance of QDSSC as the protective layer processing,doping and cosensitization were introduced. Key words: Quantum dot-sensitized、Solar cell、Progress、Performance improvement

量子点敏化太阳能电池研究进展_刘晓光

量子点敏化太阳能电池研究进展 111,2* 刘晓光，吕丽丽，田建军 12 （北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；中国科学院北京纳米能源与系统研究所，北京 100083） 摘要：半导体量子点（Quantum Dot，简称QD）因其具有多种优异的光电性能而在太阳能转换方面得到了广泛地应用。量子点敏化太阳能电池（Quantum Dot Sensitized Solar Cell，简称QDSC），因其工艺简单、制造成本低和理论光电转换效率高，被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池。本文介绍了QDSC的基本结构和工作原理、QDSC的转换效率及影响因素、QDSC的研究进展等。另外，我们还对量子点敏化太阳能电池的发展进行了展望。 关键词：量子点；太阳能电池；量子点敏化太阳能电池；研究进展 引言 随着世界经济的快速发展，人们对能源的需求量与日俱增，化石能源作为不可再生能源，已无法满足全球的能源消耗。此外，化石能源的大量使用会造成全球变暖和环境污染等问题。因而，寻求可高效利用并且对环境友好的可再生能源是世界各国的共同目标。太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经引起了广泛的关注，被认为是传统能源的最佳替代品。根据所用材料的不同，太阳能 [1] 电池可分为：硅基太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、光电化学太阳能电池、有机太阳能电池和多结太阳能电池等。 量子点，是三维尺寸小于或接近激子波尔半径，具有量子局限效应的准零维纳米粒[2,3] 子。光敏性量子点是一种窄禁带宽度的半 [4][5][6]导体材料，如CdS，CdSe，PbS， [7] InAs等，它可通过吸收一个光子能量产生多个激子或电子-空穴对，即多重激子效应（Multiple Exciton Generation，简称ME G），进而形成多重电荷载流子对，以更加有效地利用太阳能。根据美国物理学家 [8] Shockley和Queisser提出的S-Q极限模型，半导体PN结太阳能电池的光电转换效率极限为31%，如单晶硅、多晶硅太阳能电池等均受限于这一模型。然而以QD为光敏剂构筑的量子点敏化太阳能电池，在MEG效应作用下，则能突破S-Q极限效率模型，具有更高 [9,10] 的理论光电转换效率。并且，QDSC制造成本远低于硅基太阳能电池。因此，QDSC被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池，成为世界范围内研究的热点之一。 1 QDSC的基本结构和工作原理 QDSC是由有机染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSC）衍生而来，与之不同的是QDSC采用窄禁带宽度的QD取代DSC中的有机染料分子作为电子激发的敏化剂。与有机染料相比，QD不仅 [11~13]具有MEG效应，而且还具有其它优点：（1）QD光谱吸收范围更广，其带隙可以根据其尺寸大小来调节；（2）QD具有比有机染料分子更大的消光系数和光化学稳定性；（3）QD具有大的固有偶极矩，利于激发态电子-空穴的分离。QDSC的工作原理如图1所示，其电池主要是由导电透明电极 （如FTO）、多孔光阳极（如TiO薄膜）、 2 量子点敏化剂（QD）、电解质（如多硫化 物）和对电极（如Cu S）组成。在入射光子 2 的作用下，QD中的电子从价带跃迁到导 带，激发态的电子快速注入到光阳极TiO导 2带中，在FTO玻璃上富集并通过外电路流向 2-对电极，QD中留下的空穴与电解质中 的S

量子点在太阳能电池中的应用进展

量子点在太阳能电池中的应用进展 摘要 本文介绍了量子点纳米晶体特殊的物理性质,多种制备方法,以及在太阳能电池材料中的应用. 关键词:量子点;制备;太阳能电池 引言 随着人口的急剧增长及工业化的快速发展与能源的大量使用,目前化石能源即将消耗殆尽,此时人们在积极寻找可替代化石能源的二次能源,太阳能作为其中不可忽视的一员,受到广泛瞩目.目前,占据市场主要份额的晶体硅基太阳能电池的光电转化效率已经高达10 %-20 %,但是原料高纯硅造价昂贵,这促使人们再次寻找可以替代硅的材料.研究发现通过量子点敏化提高金属氧化物对光的吸收,可有效的使光照射在量子点表面上产生的电子转移到金属氧化物上,理论研究表明其能量转化效率的极限值可达66％左右,大大改善其光学性能. 本文主要介绍了量子点的多种制备方法及其独特的光学和电学性质在太阳能电池材料上的应用.其制备方法包括: 金属有机化合物热分解法,均匀沉淀法,溶胶-凝胶法,连续离子层吸附反应(SILAR)法,化学浴沉积法(CBD)和电沉积法(EPD)等. 一.量子点的特性 量子点是一种0维的纳米材料,由于自身体积小与普通材料,物理性质也不同于普通大尺寸材料. 量子限域效应,是指当颗粒尺寸减小到与电子的De Broglie波长和激子玻尔半径相近时,电子在三维空间内的运动受到限制,使得电子的输运不能顺利进行,相互干扰性会增强,电子的能级由连续的能级变为分立的能级,能级之间的带隙变宽。随着尺寸的减小,能隙会变宽,出现激子强吸收,激子也会蓝移,即由最低能量向高能方向移动,并引起吸收光谱向短波方向移动.半导体纳米粒子与体材料相比,在吸收光谱上由原来宽的吸收变为窄而高的特征吸收峰.由于量子尺寸效应的影响,随着的尺寸减小,它的能级发生改变,带隙会变宽,纳米颗粒发

第三代太阳能电池简介

第三代太阳能电池简介 何宇亮1，2，3，4王树娟1高全荣1沈文忠3丁建宁2施毅4 1，无锡新长江纳米电子科技有限公司（无锡长江路7号，2140287） 2，江苏大学微纳米科技中心（镇江学府路301号，212013） 3，上海交通大学太阳能研究所（上海闵行区东川路800号，200240） 4，南京大学物理学（南京汉路37号，210093） 摘要 在当前迅速发展的绿色能源中，硅片状太阳能电池占有很大的优势（又被称做第一代太阳能电池），然而为了大幅度降低成本扩大产量，以非晶硅薄膜太阳能电池（又被称为第二代太阳能电池）为代表的薄膜型太阳电池正在赶上，专家估计不久将会占有市场。为了进一步克服前二者存在着的不可克服的弱点，不断提高电池的光电性能及转换效率，近些年叠层式薄膜太阳能电池的研究已受到各国科学界重视。由于它已表现出比前二者具有更强的优势和应用前景，因此已被国内外学术界命名为第三代太阳能电池。作者结合自己在这方面的工作和一些设想对它做一些简要的介绍。 1、第三代太阳能电池指的是什么 在全球绿色能源大幅度蓬勃发展中，对太阳能的利用已被各个先进国家列为非常重要的地位。一般称目前正在大量生产且在市场上占主要地位的单晶硅、多晶硅片状电池为第一代太阳能电池，它从上世界50年代发展到今天其工艺技术已成熟且光电转换效率已达15～25％（其理论上极限值为29％）。正是由于它使用的是体硅材料，不仅对硅材料消耗量很大，以至成本高，而且其转换效率已接近于理论极限值，进一步发展的空间有限。 近十多年来属于第二代的薄膜型太阳能电池发展迅速，且已有大量投产，具有与第一代太阳能电池抗衡的苗头。据了解，日本Sharp公司将于今年在大阪市建立一座年产量达1GW的非晶硅薄膜太阳能电池厂。我国已计划将在无锡建造一条全自动化非晶硅太阳能电池生产线，每年可生产光电155MW。大家知道，非晶硅薄膜对可见光的吸收能力比晶体硅高500倍，电池厚度仅为晶体硅电池的百分之几（μm量级），它可以以廉价玻璃、柔性塑料以及不锈钢薄片为衬底材料。这不仅大大降低了制作成本，节省硅材料，还能根据需要制成大面积的电池板，这些都是它的优势。虽然它的光电转化效率还较低，仅为（6～10）％，但提高的空间较大。随着科学技术的不断提高以及人们对低温成膜技术的不断改进，几年之后很有可能超过目前多晶硅电池的转变效率。

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（J SC)、开路电压（V OC)、填充因子（Fill Factor，FF)、量子效率（Quantum Efficiency)、串联电阻（R S）和并联电阻（R Sh)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。

量子点太阳能电池---原理,技术最新介绍

Physica E14(2002)115– 120 https://www.wendangku.net/doc/4d5675967.html,/locate/physe Quantum dot solar cells A.J.Nozik? National Renewable Energy Laboratory,Center for Basic Sciences,1617Cole Boulevard,Golden,CO80401,USA Abstract Quantum dot(QD)solar cells have the potential to increase the maximum attainable thermodynamic conversion e ciency of solar photon conversion up to about66%by utilizing hot photogenerated carriers to produce higher photovoltages or higher photocurrents.The former e ect is based on miniband transport and collection of hot carriers in QD array photoelectrodes before they relax to the band edges through phonon emission.The latter e ect is based on utilizing hot carriers in QD solar cells to generate and collect additional electron–hole pairs through enhanced impact ionization processes.Three QD solar cell con?gurations are described:(1)photoelectrodes comprising QD arrays,(2)QD-sensitized nanocrystalline TiO2,and (3)QDs dispersed in a blend of electron-and hole-conducting polymers.These high-e ciency con?gurations require slow hot carrier cooling times,and we discuss initial results on slowed hot electron cooling in InP QDs.?2002Elsevier Science B.V.All rights reserved. Keywords:Hot electrons;Quantum dots;(Ultra-high photovoltaic)conversion e ciency;Impact ionization;E ciency limits 1.Introduction The maximum thermodynamic e ciency for the conversion of unconcentrated solar irradiance into electrical free energy in the radiative limit assum-ing detailed balance and a single threshold absorber was calculated by Shockley and Queisser in1961 [1]to be about31%;this analysis is also valid for the conversion to chemical free energy[2,3].Since conversion e ciency is one of the most important parameters to optimize for implementing photovoltaic and photochemical cells on a truly large scale[4], several schemes for exceeding the Shockley–Queissar (S–Q)limit have been proposed and are under active investigation.These approaches include tandem ?Tel.:+1-303-384-6603;fax:+1-303-384-6655. E-mail address:anozik@https://www.wendangku.net/doc/4d5675967.html,(A.J.Nozik).cells[5],hot carrier solar cells[6–8],solar cells producing multiple electron–hole pairs per photon through impact ionization[9,10],multiband and impu-rity solar cells[4,11],and thermophotovoltaic=thermo-photonic cells[4].Here,we will only discuss hot carrier and impact ionization solar cells,and the e ects of size quantization on the carrier dynamics that control the probability of these processes. The solar spectrum contains photons with ener-gies ranging from about0.5to3:5eV.Photons with energies below the semiconductor band gap are not absorbed,while those with energies above the band gap create electrons and holes with a total excess kinetic energy equal to the di erence between the photon energy and the band gap.This excess kinetic energy creates an e ective temperature for the carri-ers that is much higher than the lattice temperature; such carriers are called“hot electrons and hot holes”, and their initial temperature upon photon absorption 1386-9477/02/$-see front matter?2002Elsevier Science B.V.All rights reserved. PII:S1386-9477(02)00374-0

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（Fill Factor，FF)、量子效率（Quantum Efficiency)、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

量子点敏化太阳能电池研究进展文档解析

量子点敏化太阳能电池研究进展 摘要： 量子点敏化太阳能电池(QDSCs)因其制备成本低、工艺简单及量子点(QDs)本身的优异性能(如尺寸效应、多激子效应)等优点，近年来受到广泛关注。在此类电池中，无机半导体量子点敏化剂作为吸光材料，其自身的光电性质、制备方法、表面缺陷、化学稳定性及其在TiO2光阳极上的敏化方法等是影响电池性能的关键。本文综述了无机半导体量子点敏化剂(包括窄带隙二元量子点、多元合金量子点及Type-II核壳量子点)的最新研究进展，重点介绍了胶体量子点的制备方法；分类阐释了量子点在TiO2光阳极表面的沉积与敏化方法，特别是双官能团辅助自组装吸附法；总结了针对提高电子注入效率和减少复合的量子点表面修饰方法；最后简要介绍了QDSCs的电解质和对电极的研究进展。 关键词： 量子点敏化太阳能电池；无机半导体量子点；胶体量子点；双官能团辅助自组装；表面修饰 Progress in Quantum Dot-Sensitized Solar Cells Abstrac t: Quantum dot-sensitized solar cells (QDSCs) have attracted much attention in the past few yearsbecause of the advantages of quantum dots (QDs), including low cost, easy fabrication, size-dependence bandgap, and multiple exciton generation (MEG). The properties of QD sensitizers influence the performanceof QDSCs, such as their photoelectric characteristics, preparation methods, surface defects, chemical stability,and their sensitization towards TiO2 photoanodes. This review demonstrates the development of QD sensitizers, including narrow bandgap binary QDs, ternary or quaternary alloyed QDs, and Type-II core-shellQDs, especially the preparation methods of colloidal QDs. Furthermore, the deposition and sensitization methods of QDs are introduced in detail, particularly bifunctional-assisted self-assembly deposition.Meanwhile, methods to improve electron injection efficiency and reduce charge recombination are also summarized. Finally, a brief introduction is provided to the development of electrolytes and counter electrodes in QDSCs. Key Words: Quantum dot-sensitized solar cell;Inorganic semiconductor quantum dot;Colloidalquantum dot; Bifunctional-assisted self assembly; Surface treatment

硅量子点在太阳能电池中的应用_姜礼华

激光与光电子学进展47,082501(2010) Lase r &Opto elec troni c s Pro g res s o C 2010中国激光杂志社doi:10.3788/LO P47.082501硅量子点在太阳能电池中的应用 姜礼华1 曾祥斌1 金韦利2 张 笑 11华中科技大学电子科学与技术系,湖北武汉4300742江西蓝天学院电子信息工程系,江西南昌330098 摘要 阐述了当前硅量子点(Q Ds)太阳电池的发展概况。介绍了量子限制效应引起的碰撞电离和多激子产生现 象,分析了硅量子点太阳电池设计理论。同时介绍了硅量子点当前几种制作工艺,详细阐述了硅量子点从富硅层 中析出工艺。最后,介绍了硅量子点太阳电池的几种结构形式,如叠层结构、P N 结构和中间带隙结构。 关键词 光电子学;硅量子点;碰撞电离;电子空穴对倍增;太阳电池结构 中图分类号 T N245 OCIS 250.5590270.0270 文献标识码 A Application of Silicon Quantum Dots in Solar Cells Jiang Lihua 1 Zeng Xiangbin 1 Jin Weili 2 Zhang Xiao 11Depa r tm ent of Electr on ic Scien ce an d T echn ology ,Hu azhong Un iver sity of Scien ce a n d T echnology , Wu han ,Hubei 430074,Chin a 2Depar t m en t of Elect r on ic In for m a tion En gineer ing ,J ian gx i Bluesky Un iver sity , Nan chan g ,Jia ngx i 330098,China Ab stract The current development situation of silicon quantum dots (QDs)solar cells is described.The mult-i exciton phenomenon generated by the impact ionization due to the quantum c onfinement effect is introduced,and the silicon Q Ds cell design theory is ana lyzed.Meanwhile,several current production proc esses of the silicon quantum dots at present,and the deta iled precipitation process of silicon quantum dots from silicon -rich silicon layers a re presented.Finally,severa l kinds of configurations of t he silic on QDs cells such a s tandem solar cells,PN junction solar cells,and intermediate band -gap solar cells are introduced. Key words optoelectronics;silicon quantum dots;impact ionization;electron -hole pair multiplication;solar cells configuration 收稿日期:2009-12-28;收到修改稿日期:2010-02-26 基金项目:广东省产学研项目(2006D90404017)资助课题 作者简介:姜礼华(1982))男,博士研究生,主要从事硅基太阳能电池方面的研究。E -mail:jlihua107@https://www.wendangku.net/doc/4d5675967.html, 导师简介:曾祥斌(1962))男,博士,教授,主要从事大尺寸微电子学与透明电子学、太阳电池和光伏系统的设计与制备等方面的研究。E -mail:eex bzeng @https://www.wendangku.net/doc/4d5675967.html,(通信联系人) 1 引 言 目前太阳能电池存在能耗高、光电转换效率低等缺点,其光电转换效率皆低于理论预测值的重要原因之一是不能充分利用太阳光。电池太阳光损失机制主要有是能量低于带隙的光子不能被吸收和能量大于带隙的光子存在热损失。人们已提出3套方案解决此问题: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[1]。目前方案1)已经得到实际应用,后两套方案基于量子点(QDs)产生的量子限制效应正处于研究之中。2002年, A.J.Nozik [2]发现某些半导体量子点在蓝光或紫外线照射下能释放出两个以上电子。2004年,R. D.Schaller 等[3] 在实验中观察到PbSe 量子点产生多个电子空穴对的现象,首先证实了A.J.Nozik 理论的正确性。2006年,该小组[4]又用高能紫外线照射PbSe 和PbS 量子点时发现吸收一个高能光子可产生7个电子空穴对,大大提高了光量子产额。由此,人们设想利用量子点的这种特性可以提高太阳电池光电转换效率,即设计量子点太

量子点发光材料综述

量子点 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又

量子点敏化太阳能电池

量子点敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池是一种非常有前景的低花费的选择对于现存的光伏技术，例如 晶体硅和无机薄膜。通过控制它们的尺寸，量子点的吸收光谱能够被调整。而且量子点可 以通过低花费的方法来制备。一些纳米材料，比如纳米薄膜，纳米棒，纳米电线，纳米管 以及纳米片等具有高的比表面积，氧化还原电解质，固态孔导体，都是借鉴于标准的染料 光敏太阳能电池用来制造电子导体，量子点单层和电洞型导体与高光学吸光度连接。这篇 文章我们将探讨单一的，多分散的量子点光敏化太阳能电池。本篇将解决稳定性问题，提 出涂层方法，对性能加以讨论，重点强调能量水平对于光电转换效率的重要性。 把全球温度增加限制在2度以内是21世纪最大的挑战之一，为了阻止目前气候的进一步恶化，发达国家必须大量减少温室气体的排放量，新的工业化国家必须限制二氧化碳的 排放。为了实现这个目标，必须提供新的能源来替代煤，石油，天然气燃料，比如风能， 水能，生物质能以及太阳能。未来的能源结构将会主要依赖这些清洁能源，你得明白太阳 每年提供给地球上植被的能量就是人类日常消耗能量的10000多倍。太阳能可以转换为热能，而这些热能可以直接用来加热食品。通过光学原理利用镜子和透镜可以把太阳光聚集 起来获得更高的温度，这使得太阳能可以驱动蒸汽发动机，把热能转换为机械能，随后进 行发电。目前主要采用的太阳能发电手段就是采用光伏电池。由于没有移动的部件，所以 光伏电池运行维护费用非常低，这也使得它们非常适合在室外长期运行。 这几年，光伏市场一直呈指数趋势发展，虽然由于2009年金融危机出现过波动。2008年全球安装的光伏发电系统发电功率达6GW左右，这相当于5到6座的常规火力发 电站或者核电站，这现实出光伏发电已经让低功耗离网应用于生态环境。然而光伏发电的电力价格却比传统发电高了很多，也正因为如此，国家发放津贴给光伏工作者，希望通过 批量生产来减少光伏系统的花费。因此，未来研发新的光伏电池来提高光电转换效率和降 低价格将成为前沿课题。 根据它们采用的技术，通常把光伏电池分分为第一，第二，第三代器件。第一代光伏电池是单晶体或者多晶体的p-n结结构的硅电池，也是今天最常见 的光伏转换器，大约占据了85%的市场份额。生产基础的晶片单元需要高纯度 的硅晶体，高加工温度和大量的原料。第二代光伏电池是建立在薄膜基础上的，它被放置于一个透明导电衬底和一个背部的电极之间，第二代光伏电池目前占 据着大约15%的市场份额，它们中的大多数主要基于CdTe。然而基于CuInS2光伏电池，铜铟硒，CuInGaSe2或非晶和纳米晶硅已达到商业化并进入光伏市场。由于热力学的限制，单节光伏电池（第一代与第二代光伏）的光电转换效率最 高只能达到32.9%，对于吸收AM 1.5G 的光谱。这一限制，也被称为肖克利–Queisser限制，源于这样一个事实，光子能量低于带隙能量不是被吸收，高于 带隙能量的光子的能量将释放额外的能量，而（ephotonegap）主要为热。第三代太阳能电池的目标是将转换效率突破肖克利–Queisser的限制通过先进的光 伏概念如多结的限制细胞，光学上和下变频器，由碰撞电离产生的多载波，杂 质带细胞，等等。据报道，多节光伏电池的转换效率略高于40%在采用集中的 太阳光下。 在过去的几年里，由于优异的光电性能，量子点（QDs）吸引了广泛关注。通过控制它们的尺寸，量子点的吸收光谱能够被调整，这使得其非常适用于光伏电池。大量关于量子光敏化太阳能电池的体系构架被提出来，包括基于量子点光 敏化具有宽能带隙纳米结构的光电化学电池，沉浸在电解质中的量子点薄膜， 基于量子点或者聚合混合物的固态结构单元，以及夹在电子和空穴导体之间的