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。

1.量子点太阳能电池

1.1 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。

1.2量子点发展历史研究现状

2005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，organic layer/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。2008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12.3mA/cm2、0.33 V、44.4%和1.8%。2009年，Alivisatos小组利用PbS X Sei_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3.3 %。2011年，Alivisatos小组又利用直径为2.3 nm的超小PbSe量子点制备了ITO/PEDOT/PbSe/Al结构的肖特基结电池，