量子点太阳能电池简介.doc

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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在一般

6、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

7、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。1.2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

8、现不同的量子限制效应；改变能级分裂的距离，可以形成不同的带隙宽度。[2]（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