硅量子点在太阳能电池中的应用_姜礼华
太阳能电池用硅量子点的制备与表征
华中科技大学硕士学位论文
could hardly nucleate because they were too scattered in the films. And most of them diffused to the neighboring already existed quantum dot, which obviously increased the average size of quantum dots. In addition, it is found that NH3 plasma treatment can reduce the density of radiative recombination defects effectively, which can improve the open circuit voltage of solar cell.
分类号 学校代码 10487
学 号 M200972013 密级
硕士学位论文
太阳能电池用 硅量子点的制备与表征
学 位 申请 人 ： 张笑 学 科 专 业 ： 微电子学与固体电子学 指 导 教 师 ： 曾祥斌 教 授 答 辩 日 期 : 2012 年 1 月 4 日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
本文采用等离子体增强化学气相沉积法制备了富硅氮化硅薄膜，并利用高温退火 处理促进薄膜中硅量子点的生长。从氮化硅薄膜样品的傅立叶变换红外吸收光谱和 X 射线光电子能谱可以看出，刚沉积的样品中含有大量的 Si-H 和 N-H 键，而随着退火温 度的升高，H 键逐渐断裂使 Si 原子和 N 原子发生重组，薄膜中逐渐形成接近化学计量 比的 Si3N4 相，同时析出少量的纯 Si 相，即表现为 Si 量子点的形成。
(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。
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基于半导体量子点技术的新型太阳能电池。
量子点是尺寸在纳米级别的半导体颗粒，其具有很好的光物理和电子学性质。
通过将量子点吸附于钛某膜表面，可以提高太阳能电池的光吸收效率，从而提高电池的性能。
量子点敏化太阳能电池具有以下优点：
1. 光电转换效率高：量子点可以吸收半导体电池无法吸收的红外光谱，从而提高光电转换效率。
2. 光稳定性好：由于量子点具有很好的光物理性质，因此它们可以吸收和发射光子，从而提高电池的光稳定性。
3. 制备简单：与其他太阳能电池相比，量子点敏化太阳能电池的制备工艺相对简单，成本也较低。
4. 可控性强：通过控制量子点的尺寸和组成，可以调整太阳能电池的光学和电学性质，从而得到更好的性能。
尽管量子点敏化太阳能电池在实验中取得了良好的性能，但在实际应用中还需要克服许多挑战，如长期稳定性、成本、批量生产等问题。
因此，目前该技术仍处
于研究和发展阶段。
《2024年Zn-CuInS2量子点的成分调控及其敏化太阳电池光阳极的优化》范文
《Zn-CuInS2量子点的成分调控及其敏化太阳电池光阳极的优化》篇一一、引言随着科技的飞速发展，人类对清洁可再生能源的需求日益增长。
其中，太阳能以其无限的储量和环境友好的特性成为最具有潜力的新能源之一。
太阳电池技术是利用太阳能转换为电能的先进技术。
而量子点敏化太阳电池，因其具有较高的光电转换效率和低成本优势，成为了近年来研究的热点。
Zn-CuInS2量子点因其优异的光电性能和良好的化学稳定性，在太阳电池领域得到了广泛的应用。
本文将重点探讨Zn-CuInS2量子点的成分调控及其在敏化太阳电池光阳极的优化。
二、Zn-CuInS2量子点的成分调控Zn-CuInS2量子点的成分调控是提高其光电性能的关键。
通过调整Zn、Cu、In和S的元素比例，可以优化量子点的能级结构、光吸收性能和载流子传输性能。
研究表明，适当的成分调控可以显著提高量子点的光吸收效率和光生电流密度。
（一）成分调控的方法成分调控主要通过改变前驱体溶液中各元素的摩尔比例来实现。
通过精确控制溶液中的元素比例，可以获得具有不同能级结构和光吸收性能的Zn-CuInS2量子点。
此外，还可以通过掺杂其他元素来进一步优化量子点的性能。
（二）成分调控的影响成分调控可以显著影响Zn-CuInS2量子点的能级结构、光吸收性能和载流子传输性能。
通过调整元素比例，可以使得量子点的能级结构与太阳光谱更匹配，从而提高光吸收效率和光生电流密度。
此外，适当的成分调控还可以改善量子点的化学稳定性和载流子传输性能，进一步提高太阳电池的性能。
三、敏化太阳电池光阳极的优化Zn-CuInS2量子点敏化太阳电池的光阳极是关键部件之一。
通过对光阳极进行优化，可以提高太阳电池的光电转换效率和稳定性。
（一）光阳极材料的选择光阳极材料应具有良好的光吸收性能、化学稳定性和载流子传输性能。
ZnO和TiO2是常用的光阳极材料。
通过在光阳极表面修饰一层Zn-CuInS2量子点，可以提高其光吸收性能和光电转换效率。
量子点太阳能电池的研究及应用
量子点太阳能电池的研究及应用近年来，随着科学技术的不断发展，太阳能电池作为一种重要的可再生能源得到了广泛关注和研究。
量子点太阳能电池，作为太阳能电池的一种新型形态，具有许多优异的特性，因此引起了科学家们的极大关注。
本文将对量子点太阳能电池的研究及应用进行探讨。
一、量子点太阳能电池的原理在传统的太阳能电池中，其主要原理是将太阳能转化为电能。
而量子点太阳能电池则是利用量子点的光电效应来实现对太阳能的转化。
量子点是一种直径在1~10纳米范围内的微观颗粒，它们能够在一定范围内吸收或发射电磁波，并且具有尺寸能量效应、量子限效应和准受限效应等特性。
通过将这些量子点嵌入到太阳能电池中，可以在吸收太阳光的过程中产生电子，并将其传递到电池中的电极上，从而实现对太阳能的转化。
二、量子点太阳能电池的优点相比于传统的太阳能电池，量子点太阳能电池具有以下几方面的优点：1. 高效率：量子点太阳能电池的效率可以达到30%以上，比传统太阳能电池的效率高出很多。
2. 容易制备：制备量子点太阳能电池的材料和工艺相对简单，成本也较低。
3. 透明性好：量子点太阳能电池可以制成透明材料，可以应用于大面积的太阳能玻璃幕墙等场景。
4. 抗衰减，寿命长：量子点材料可以保持长时间的稳定状态，并具有较长的使用寿命。
以上优点使得量子点太阳能电池在应用方面具有广阔的前景。
三、量子点太阳能电池的应用量子点太阳能电池具有广泛的应用前景，主要涉及以下几个方面：1. 太阳能玻璃幕墙：量子点太阳能电池可以制成透明材料，可以应用于大面积的太阳能玻璃幕墙。
2. 移动电源：量子点太阳能电池可以制作成柔性材料，可以应用于移动电源等场景。
3. 光伏发电：量子点太阳能电池可以与传统的太阳能电池相结合，提高光伏发电的效率。
4. 生活用电：利用量子点太阳能电池可以为生活用电提供新的来源。
四、量子点太阳能电池的挑战虽然量子点太阳能电池具有很大的优点，但是在研究和应用中还存在以下几个挑战：1. 量子点太阳能电池的制备工艺和技术还需要进一步完善，特别是应用于工业化生产场景时需要考虑到工艺稳定性和可复制性。
量子点在太阳能电池中的使用
量子点在太阳能电池中的使用在当今科技日新月异的时代，人类对于能源的需求与日俱增。
传统的化石能源不仅资源有限，而且燃烧过程中产生的温室气体对环境造成了严重的污染。
因此，寻求一种清洁、可再生的能源成为了科学家们努力的方向。
而太阳能电池作为一种利用太阳能转化为电能的装置，正逐渐成为解决能源危机的重要途径之一。
在这个过程中，量子点的引入为太阳能电池的发展带来了革命性的突破。
首先，我们需要了解什么是量子点。
量子点是一种由半导体材料制成的纳米颗粒，其尺寸在几个纳米到几十个纳米之间。
由于其独特的量子效应，量子点具有许多优异的光学和电子性质。
正是这些性质使得量子点在太阳能电池中发挥了巨大的作用。
那么，量子点是如何提高太阳能电池的效率的呢？我们可以将其比喻为一个神奇的“能量放大器”。
当太阳光照射到太阳能电池上时，量子点能够吸收并转化更多的光子，从而产生更多的电子-空穴对。
这些电子-空穴对在电池内部形成电流，最终转化为可用的电能。
通过这种方式，量子点极大地提高了太阳能电池的光吸收能力和光电转换效率。
然而，仅仅依靠量子点是不够的。
为了进一步提高太阳能电池的性能，科学家们还进行了一系列的研究和实验。
例如，他们发现通过改变量子点的大小和形状，可以调整其能级结构，从而实现对太阳光谱的更广泛吸收。
此外，将不同材料的量子点组合在一起，可以形成一个多层的结构，使得太阳能电池能够在不同波长的光线下工作。
这种多层结构的设计使得太阳能电池的效率得到了进一步的提升。
尽管量子点在太阳能电池中的应用取得了显著的成果，但我们仍然面临着一些挑战。
首先，量子点的制备过程相对复杂，成本较高。
其次，量子点的稳定性也是一个需要解决的问题。
在长时间的光照和高温条件下，量子点可能会发生退化，导致太阳能电池性能下降。
因此，如何在保证性能的同时降低成本和提高稳定性，是科学家们需要继续努力的方向。
总之，量子点作为一种新兴的材料，为太阳能电池的发展带来了巨大的潜力。
纳米半导体量子点在太阳能电池中的应用研究
纳米半导体量子点在太阳能电池中的应用研究随着环保理念的日益普及，太阳能电池作为一种绿色能源，越来越受到人们的关注。
太阳能电池的效率是其中最为关键的一个问题，而纳米半导体量子点的应用则成为了一种提高太阳能电池效率的新技术。
本文将介绍纳米半导体量子点在太阳能电池中的应用研究。
一、纳米半导体量子点的概念和性质纳米半导体量子点是一种尺寸在纳米级别的半导体微粒，其在三维空间中被限制在几个纳米的范围内，具有与其尺寸密切相关的特异性质。
由于其具有小尺寸、量子限制效应、表面效应和分子尺度分散性等性质，因此具有较高的光电转换效率、光稳定性、光谱可调性、量子储存性和分子感测性等独特的性质，使其在太阳能电池中具有广泛应用前景。
二、太阳能电池的基本结构与原理太阳能电池是将太阳能辐射能转化为电能的一种电池，其基本原理是光电效应。
太阳能电池有多种不同的类型，其中最为常见的是硅基太阳能电池。
硅基太阳能电池是由P型硅层、N型硅层和中间PN结构层构成的。
当光子入射P区，则其中一部分会与材料中自由电子进入光电子转移过程，使得这些电子的能量增加并穿透PN结结合层向N区运动，产生电势差，进而产生电流。
同时，在硅基太阳能电池中，衬底、玻璃和保护层等元件不仅可以保护PN结、防止延迟发光，也可以增强光吸收，提高电池的转换效率。
三、纳米半导体量子点在太阳能电池中的应用在太阳能电池中，纳米半导体量子点的应用主要是两个方面：改善光吸收率和提高电池效率。
具体来说，纳米半导体量子点在太阳能电池中的应用有以下两个方面：1. 纳米半导体量子点可以作为光伏材料，能够增强太阳能电池的光吸收率。
研究表明，纳米半导体量子点具有优异的量子限制效应和分子尺度分散性质，能够对不同波长的太阳光进行有效吸收和储存，提高光电转换效率。
2. 纳米半导体量子点可以作为电容层，增强太阳能电池的电池效率。
研究表明，纳米半导体量子点具有较高的电子传输能力和超快载流子注入-排出速度，能够有效提高电池的载流子传输效率和储存能力，从而提高电池的转换效率。
量子点敏化太阳能电池结构调控及光伏性能研究
量子点敏化太阳能电池结构调控及光伏性能研究量子点敏化太阳能电池结构调控及光伏性能研究摘要：随着能源需求的不断增长，太阳能作为一种可再生能源受到了广泛关注。
在太阳能电池研究中，量子点敏化太阳能电池因其高效率和低成本的特点而备受研究者的青睐。
本文通过研究量子点敏化太阳能电池的结构调控及光伏性能，探讨了提高其光电转换效率的方法，并对未来的发展进行了展望。
1. 引言太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，广泛应用于户外供电、数字产品和航空航天等领域。
传统的太阳能电池主要由硅材料构成，但由于成本较高且生产过程对环境影响较大，研究者开始寻找替代材料。
量子点是一种具有特殊结构和优异性能的纳米材料，与传统的材料相比，量子点敏化太阳能电池具有优异的光电转换效率和较低的成本。
2. 量子点敏化太阳能电池的结构调控量子点敏化太阳能电池的结构调控是提高其光伏性能的关键。
在量子点敏化太阳能电池中，量子点被用作光吸收剂，并通过电子传输和多重荧光共振的方式将光能转化为电能。
通过调控量子点的大小、形状和组成，可以使其吸收更广泛的光谱范围，并提高光电转换效率。
此外，调控电解质和电容性电解质界面的性质也可以改善电荷传输效率，进一步提高光伏性能。
3. 光伏性能研究光伏性能是评价量子点敏化太阳能电池性能的重要指标之一。
研究表明，量子点敏化太阳能电池具有优异的光伏性能，其光电转换效率可达到较高水平。
在研究中，通过改变量子点的尺寸和组成，以及优化电解质和电容性电解质界面的性质，可以提高光伏性能。
此外，合适的材料组合和结构设计也可以改善电子传输和电荷分离效率，从而进一步提高光伏性能。
4. 发展展望量子点敏化太阳能电池由于其优异的光伏性能和低成本的特点已经成为太阳能电池研究的热点。
未来的发展可从以下几个方面展望：首先，进一步优化量子点的结构和组成，提高光电转换效率。
其次，研究新型电解质和电容性电解质以实现更高的电荷传输效率。
此外，结合其他纳米材料，如石墨烯等，可以进一步改善光伏性能。
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,纳米颗粒发射能增加,光学吸收会蓝移,最直观的表现为样品颜色的变化,如随颗粒尺寸减小,CdSe颗粒由红色逐渐变为浅黄色,PbS颗粒由黑色逐渐变为棕黄色.表面效应是指当量子点纳米颗粒尺寸逐渐减小时,位于颗粒表面的原子数会逐渐增多，导致量子点的比表面积会随着尺寸的减小而增大.由于量子点比表面积较大,表面的原子数增多,其悬挂键和不饱和键较多,不能充分的配位,活性较大,和容易与其它的原子相结合发生反应.表面效应导致了量子点表面的能量增大,活性增强,表现为随着微粒尺寸的减小熔点会降低.小尺寸效应是指当纳米微粒的的尺寸小于等于光学波长,德布罗意波长等物理特性尺寸时,非晶态量子点表面的原子层的原子密度减小,导致了光、声、电、磁等特性的变化.随着尺寸的减小,光吸收会显著增强,磁有序态会变为磁无序态,声子发生改变,超导相会向正常转变等.例如,常规下的体相金变为2 nm的金颗粒时,熔点也由1337 K降低到600 K.这些由尺寸减小引起的特征现象被称为小尺寸效应.宏观量子隧道效应是指微观纳米粒子具有贯穿势垒的能力.由于量子点尺寸较小,内部电子运动受限,载流子在纳米尺度空问中的输运过程出现明显的电子波动性,因此电子的能级是分立的.一般情况下,量子点导电区域内存在量子垫垒,电子被锁定在纳米三维尺度范围内,当给予外界电压后,电子会越过势垒形成费米电子海,体系开始导电.量子隧道效应是指电子由一个量子阱越过垫垒进入到另一个量子阱中,体系由绝缘性转变为导电性.例如,具有铁磁性的磁体,当微粒尺寸为纳米量级时,铁磁性会向顺磁性或软磁性转变.利用量子隧道效应还研制了量子共振隧穿晶体管.激子效应在半导体发光器件的研究和开发中得到了很好的应用,半导体量子点的光吸收、发光、激发和光学非线性等过程都受到激子效应的影响.2002年，Nozik首次提出半导体量子点具有多重激子产生效应.当量子点吸收一个大于量子点禁带能量的光子后,就可能产生两个及以上的电子,而处于激发态的量子点将产生的光生电子迅速地注入到相邻的工作电极中.多重激子效应的发现,吸引了众多科研爱好者的兴趣,极大地推动了量子点在太阳能电池领域中的发展.现如今太阳能电池约有50％的能量以热能的形式损失掉了，而量子点的转化效率在200％以上,量子点太阳能电池就可用生成的额外电能来弥补以热能形势损失掉的能量.因此量子点在太阳能电池的研究中有很重要的意义.二.量子点在太阳能电池中的应用在量子点敏化太阳能电池中,量子点是太阳能电池与太阳光关联的媒介,量子点的存在,有效地提高了光电极材料对于太阳光的吸收.在典型的量子点太阳能电池中,量子点以无序或理想的有序结构夹于两个基底材料之间,其中有一个半透明基底用于光的照射.在实际器件中,经常在基底层和量子点层之间添加一薄层导电材料,如金属或导电聚合物,用以提高电子或空穴的传输效率.通过叠加相同或不同的量子点层,能够提高光的吸收以及电荷的分离与传输效率.目前应用于太阳能电池的量子点材料有PbS,PbSe,CdS,CdSe,ZnS,ZnSe等.但是由于量子点纳米数量级的粒径使其具有非常大的比表面积,这就使得量子点中大部分原子位于粒子表面.表面原子裸露在晶格的外部,配位不足、不饱和键增多,从而使这些表面原子具有极高的活性,非常容易与其他原子之间发生电子转移.同时,巨大的比表面积也使得表面缺陷增多,这些缺陷会成为陷阱束缚住电子或者空穴,阻碍电子和空穴的转移.在QDSSCs中,过多的表面缺陷不仅会阻碍电荷的有效分离,也会使量子点在太阳能电池中易被电解质腐蚀,电池稳定性较差.针对这些缺点,一般采用绝缘材料包覆量子点的方法,以减少表面态的数量,如在CdSe表面修饰一层ZnS以形成一种核壳结构,有效地抑制电子的复合,在以后的研究中,如果旨在减少电子复合与材料表面态,可采用类似方法.三.量子点的制备方法1.金属有机化合物热分解法这种合成方法是一种非水溶液的胶体化学合成方法,被广泛地用于合成量子点材料.它是在室温下进行的,通过对原本就含有目标产物的有机试剂反应,溶解,析晶,真空中加热分解,即可得到所需材料;如果最后一步是加热回流的条件,则可得到产物的胶体纳米颗粒.例如,利用Cd(SePh)2溶解于甲苯中,之后再将DEPE ethane)加入到上面的溶液中反应,最后缓慢地加入庚烷,得到晶体在在真空中热分解,可制备得到CdSe材料,而把得到的晶体溶于4-乙基吡啶中,加热回流一段时间就可得到CdSe胶体纳米颗粒.胶体化学合成法有很多优越性,能得到高质量的纳米晶体,但是缺点也很突出，需要在高温和无水无氧的苛刻条件下反应,所用药品大都为有机试剂,毒性和危险性都很大.2.均匀沉淀法均匀沉淀法是在金属的盐溶液中加入沉淀剂溶液,快速并不断地进行搅拌,使沉淀剂在溶液中缓慢均匀生成沉淀.由于沉淀剂不直接与被沉淀组分发生反应,而是在一定条件下,沉淀剂溶液会均匀缓慢的释放出结晶离子,从而与金属离子反应生成纳米粒子.例如,硫代乙酞胺为沉淀剂在加热时会缓慢地放出硫化氢,硫化氢再与镉盐反应生成均匀的硫化镉纳米粒这种方法制备的颗粒粒径分布窄,分散性好,但是所得的产品纯度较低,颗粒半径较大.3.溶胶-凝胶(Sol—Gel)法金属烷氧化物或金属无机盐等前驱体在一定条件下能水解形成溶胶,经过缩聚反应后得到凝胶,再通过加热、溶剂挥发等方法形成纳米材料. 例如,刘舒曼等以巯基乙酸为稳定剂,在水溶液中用Sol—Gel法,通过选择沉淀得到了1.8-4.0 nm的CdSe纳米颗粒.该方法的优点是成本低、方法简单、制得的纳米材料均匀度好和纯度高.4.连续离子层吸附反应(SILAR)法连续离子层吸附反应法简称SILAR法,是在半导体薄膜上沉积量子点.首先,将半导体纳晶薄膜基底放入到阳离子反应物的溶液中一段时间,取出后用去离子水冲洗基底表面,以去除表面吸附的多余反应物离子,烘干之后再浸入到有阴离子反应物的溶液中进行反应一段时间,形成所需的量子点敏化的纳晶薄膜.如此分别浸入阳离子和阴离子反应物溶液中一次称为一个循环,可以通过增加循环的次数来增加半导体薄膜上面量子点的敏化量.吸附在纳米粒子表面及孔洞内的离子能进行反应,且颗粒之间的孔洞大小为数十纳米左右.此法只能制得小于10 nm的量子点.此法的优点是不使用有机溶剂,在水溶液中就能合成量子点,并且将量子点直接组装在含有中孔结构的纳晶薄膜上.5. 化学浴沉积法(CBD)化学浴沉积法是在相对温和的水相中合成量子点,它可以大面积的生产,绿色无污染，反应温度一般在50℃以下.沉积量子点的尺寸可以通过调控水浴温度和基底浸入时间来得到控制.合成方法一般是在阳离子化合物的溶液中加入络合剂,使得阳离子被完全络合，之后再加入阴离子络合物,在一定条件下,比如碱性条件等,络合物缓慢释放出的阳离子和阴离子相结合,形成量子点,随着时间的增加,颗粒会逐渐生长.这种制备方法操作简单,量子点可以在纳晶薄膜基底上直接生长,颗粒尺寸在10 nm以下,光谱吸收范围较宽,广泛的应用于量子点敏化纳晶薄膜太阳能电池中.6.电沉积法(EPD)电沉积法一般用三点极法,以甘汞作为参比电极,铂作为对电极,通以电流,使量子点沉积在光阳极上.这种制备方法的优点与化学沉积法类似,操作简单,量子点生长方便,尺寸小于10 nm,光谱吸收范围较宽,是目前实验室最成熟的量子点敏化电极的制备方法之一.量子点由于其三维的纳米尺寸而具有许多特殊性质,这些性质在太阳能电池材料的研究中具有重要意义,其多种多样的制备方法与修饰方法,各有千秋,却始终未能达到理想的足以媲美单晶硅太阳能电池和染料敏化太阳能电池的转化效率,所以研究量子点的改性与制备方法至今任有十分重要的意义.参考文献[1] Josep Albero,John N. Clifford,Emilio Palomares.Quantum dot based molecular solar cells[C].Tarragona,Spain:Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ),2014:53-64.[2] 葛美英,刘玉峰,罗海瀚,黄婵燕,孙艳,戴宁.PbS量子点的化学制备及其太阳能光伏特性[J].红外与毫米波学报,2013,32(5):385-388.[3] 郭旭东,马蓓蓓,王立铎,高瑞,董豪鹏,邱勇.CdSe/ZnS量子点敏化太阳能电池电子注入与光伏性能表征[J].物理化学学报,2013,29(6):1240-1246.[4] 吴世康.激子的增殖与第三代太阳能电池[J].影像科学与光化学,2013,31(3):161-174.[5] Hyun Sung Kima,Kyung Byung Yoon.Preparation and characterization of CdS and PbS quantum dots in[C].Seoul,Republic of Korea:Korea Center for Artificial Photosynthesis,Sogang University,2014:239–256.[6] 田红叶,贺蓉,高峰,古宏晨.水相中合成CdSe量子点的研究[J].湘潭大学自然科学学报,2005,27(4):84-89.[7] 陈征,邓振波,周茂杨,吕昭月,殷月红,邹业,杜海亮,伦建超.CdSe量子点掺杂聚合物太阳能电池光谱响应特性研究[J].光谱学与分析光谱,2012,32(8):2214-2217.[8] 严兴茂,王庆康.CdSe/ZnSe/ZnS量子点在单晶太阳能电池中的应用[J].发光学报,2013,34(10):1358-1361.[9] 张金中,石建英.量子点在太阳能转化过程中的应用[J].上海第二工业大学学报,2014,31(1):1-9.[10] 吴春芳,魏杰.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[J].功能材料,2013,44(1):1-10.。
硅基量子点在光电器件中的应用研究
硅基量子点在光电器件中的应用研究硅基量子点是一种由硅原子组成的小颗粒，其具有独特的光电性质。
近年来，随着纳米技术的不断发展，硅基量子点在光电器件中的应用也越来越广泛。
本文将重点介绍硅基量子点在太阳能电池、LED和荧光传感器等方面的研究现状和应用前景。
一、硅基量子点在太阳能电池中的应用太阳能电池是一种能够将太阳能转换为电能的器件。
硅基量子点具有宽带隙和高量子效率等优异的电学性质，因此被广泛应用于太阳能电池中。
硅基量子点的能够调控和增强太阳能电池的吸收光谱，提高太阳电池的转化效率。
近年来，越来越多的研究表明，硅基量子点具有极高的光捕捉和光电转化效率。
因此，硅基量子点已经成为太阳能电池领域的热门研究方向之一。
研究人员们利用硅基量子点制备的太阳能电池，可以在光照不足的情况下实现高效稳定的电能输出。
二、硅基量子点在LED中的应用LED是一种由电流驱动的半导体器件，其具有高效节能、长寿命和节能环保等优势。
硅基量子点在LED领域中的应用，可以实现多彩光谱和更高的亮度等优势。
同时，硅基量子点还可以用于制备大面积的高亮度和高品质的LED光源。
硅基量子点LED在背光源、室内照明和车灯等方面的应用已经取得了一系列的研究成果。
与传统的LED相比，硅基量子点LED具有更高的亮度和更高的色纯度。
此外，硅基量子点LED还具有更好的电学性能和热稳定性。
因此，硅基量子点LED已经成为LED领域中的热点研究方向之一。
三、硅基量子点在荧光传感器中的应用荧光传感器是一种能够检测物质浓度和质量密度等性质的传感器。
硅基量子点在荧光传感器领域中具有逐渐显著的优势。
硅基量子点具有较强的荧光性能和较高的荧光量子产率等特性，因此可以被用于制备新型的高灵敏荧光传感器。
研究人员们已经成功开发了基于硅基量子点的有机染料荧光传感器，并成功用于检测水污染和生化药物等方面。
硅基量子点具有高灵敏和高选择性等特性，可以大大提高荧光传感器的检测能力。
四、硅基量子点应用的研究进展与展望硅基量子点是一种非常有前景的材料，其不仅具有卓越的光电性能，而且还具有较低的成本和可大规模合成等特性。
矽量子点在太阳能电池中的应用
矽量子點在太陽能電池中的應用目前太陽能電池存在能耗高、光電轉換效率低等缺點, 其光電轉換效率皆低於理論預測值的重要原因之一是不能充分利用太陽光。
電池太陽光損失機制主要有是能量低於帶隙的光子不能被吸收和能量大於帶隙的光子存在熱損失。
人們已提出3 套方案解決此問題:1) 增加帶隙數量, 製作多帶隙疊層太陽能電池;2) 熱載流子冷卻前進行俘獲;3) 一個高能光子產生多個電子空穴對或者多個低能光子產生一個高能電子空穴對。
目前方案1) 已經得到實際應用, 後兩套方案基於量子點( QDs) 產生的量子限制效應正處於研究之中。
2002 年,A. J. Nozik發現某些半導體量子點在藍光或紫外線照射下能釋放出兩個以上電子。
2004 年, R. D. Schaller等在實驗中觀察到PbSe 量子點產生多個電子空穴對的現象, 首先證實了A. J. Nozik 理論的正確性。
2006年, 該小組又用高能紫外線照射PbSe 和PbS 量子點時發現吸收一個高能光子可產生7 個電子空穴對, 大大提高了光量子產額。
由此, 人們設想利用量子點的這種特性可以提高太陽電池光電轉換效率, 即設計量子點太陽電池。
A. J. Nozik認為把量子點作為太陽電池有源區理論上光電轉換效率可以達到66%, 目前量子點太陽電池正處於理論和實驗初步研究之中。
2007 年, M. C. Beard 等採用超快速瞬態吸收譜實驗觀察到了膠體矽納米晶粒中多電子空穴對產生過程。
本文由量子限制效應引起的碰撞電離和多激子產生現象給出了矽量子點太陽電池的設計理論, 對矽量子點的幾種製作工藝以及矽量子點太陽電池設計結構做了闡述。
一、矽量子點太陽電池設計理論由於量子點內的電子運動空間被局限於小於電子本身德布羅意波長的範圍內( 幾十納米量級) , 電子的波動性將成為其主要運動特徵, 其經典運動規律( 粒子性) 不再起作用。
此時將產生一系列量子效應, 如表面效應、庫侖阻塞效應、量子限制效應、共振隧穿效應、小尺寸效應以及由於碰撞電離產生多激子等。
《2024年基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其敏化太阳电池特性》范文
《基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其敏化太阳电池特性》篇一一、引言随着科技的进步，太阳能电池已成为现代绿色能源领域的重要研究方向。
其中，CuInS2（CIS）量子点因其独特的光电性能和优越的太阳能电池应用潜力，正受到广泛关注。
通过调整其组分和核壳结构，我们可以优化其光电性能，进一步提高敏化太阳电池的效率。
本文将详细探讨基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其在敏化太阳电池中的应用特性。
二、CuInS2量子点的组分调控CuInS2量子点的组分对其光电性能具有重要影响。
通过调整Cu、In和S的原子比例，我们可以改变其吸收光谱、能级结构和载流子传输性能。
在合成过程中，采用不同的前驱体比例和反应条件，可以实现对CuInS2量子点组分的有效调控。
此外，还可以通过后处理过程，如硫化和硒化等，进一步优化其光电性能。
三、核壳结构调控的CuInS2量子点核壳结构的引入可以进一步提高CuInS2量子点的稳定性和光电性能。
通过在CuInS2量子点外包裹一层能级匹配的壳材料，如ZnS或CdS，可以有效地减少量子点的表面缺陷，提高其光吸收能力和载流子传输效率。
此外，核壳结构还可以调整量子点的能级结构，使其与敏化太阳电池中的其他组件更好地匹配，从而提高电池的效率。
四、CuInS2量子点敏化太阳电池的特性将调控后的CuInS2量子点应用于敏化太阳电池中，可以显著提高电池的光吸收能力和光电转换效率。
由于量子点的尺寸效应和表面效应，其光吸收范围可覆盖可见光和近红外区域，从而提高太阳光的利用率。
此外，量子点的能级结构与电池中的其他组件相匹配，有利于载流子的传输和收集，降低电池的内阻。
这些特性使得CuInS2量子点敏化太阳电池具有较高的光电转换效率和稳定性。
五、实验结果与讨论通过实验，我们发现在一定组分和核壳结构调控下，CuInS2量子点的光电性能得到了显著提高。
具体而言，当Cu、In和S的原子比例在一定范围内调整时，量子点的吸收光谱和能级结构发生了有利于光电转换的变化。
量子点技术在太阳能电池中的应用方法
量子点技术在太阳能电池中的应用方法在当今世界面临能源危机和环境问题的背景下，太阳能电池作为一种可再生、清洁的能源源泉备受关注。
然而，传统的太阳能电池存在着转换效率低、成本高等问题。
为了克服这些困难，科学家们开始寻找新的技术方法来改进太阳能电池。
在这个过程中，量子点技术逐渐崭露头角，被认为是一个有潜力的解决方案。
量子点是一种纳米尺度的半导体结构，其尺寸通常在1到10纳米之间。
量子点具有独特的能带结构，可以通过调整其尺寸来控制其能带间隙。
这种能带结构可使量子点对光的吸收和发射具有特殊的性质，包括较窄的光吸收带宽、宽波长范围的光发射以及长寿命的激子效应等。
在太阳能电池中，量子点技术可以发挥多种作用。
首先，量子点可以作为光吸收层的增量材料，用于捕获太阳能的更多光谱范围。
太阳能电池通常依赖于硅等材料来吸收光能，但这些材料只能利用太阳能的一小部分光谱。
通过将量子点添加到太阳能电池中，可以拓宽吸收光谱范围，并使太阳能电池能够高效地利用不同波长的光能。
其次，量子点可以用来提高太阳能电池的光电转换效率。
由于量子点的能带结构，它们具有比传统半导体材料更高的载流子分离效率。
这意味着量子点可以更有效地将光能转化为电能。
通过在太阳能电池中引入量子点，可以提高光电转换效率，从而获得更高的能量产出。
此外，量子点还可以用于改善太阳能电池的稳定性和耐久性。
多年来，太阳能电池的使用寿命一直是一个问题，其中之一是由于太阳辐射引起的光降解效应。
幸运的是，量子点具有较高的光稳定性和耐久性，可以减缓光老化现象的发生。
通过在太阳能电池中引入稳定的量子点材料，可以提高电池的寿命和可靠性。
在实际应用中，量子点技术还面临一些挑战。
首先，量子点的合成和制备方法需要精确的控制，以确保其尺寸和性质的一致性。
此外，量子点材料的生产成本相对较高，需要进一步研究和发展新的制备技术以降低成本。
此外，量子点在太阳能电池中的集成和尺度化也需要进一步研究和改进。
尽管存在一些挑战，但量子点技术在太阳能电池中的应用前景广阔。
量子点在太阳能电池中的应用研究
量子点在太阳能电池中的应用研究在当今能源需求不断增长和环境问题日益严峻的背景下，寻找高效、清洁和可持续的能源解决方案成为了全球科学界和工业界的重要任务。
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其开发和利用备受关注。
太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键设备，其性能的提升一直是研究的热点。
近年来，量子点因其独特的物理和化学性质，在太阳能电池领域展现出了巨大的应用潜力。
量子点是一种纳米尺度的半导体晶体，其尺寸通常在 2 10 纳米之间。
由于量子限域效应，量子点的电子和空穴能态呈现出离散化的特征，这使得它们具有独特的光学和电学性质。
量子点在太阳能电池中的应用主要基于其以下几个优势。
首先，量子点具有宽的光吸收谱。
与传统的半导体材料相比，量子点可以通过调节其尺寸和组成来实现对不同波长太阳光的吸收，从而有效地提高太阳能电池的光捕获能力。
其次，量子点具有较高的消光系数。
这意味着它们能够在很薄的层中吸收大量的光，从而减少了材料的使用量和电池的厚度。
此外，量子点的载流子倍增效应也是其一大特点。
在适当的条件下，一个光子的吸收可以产生多个电子空穴对，从而显著提高太阳能电池的光电转换效率。
目前，基于量子点的太阳能电池主要有以下几种类型。
量子点敏化太阳能电池是其中研究较为广泛的一种。
在这种电池中，量子点吸附在宽禁带半导体的表面，作为敏化剂来增强对光的吸收。
量子点通过光激发产生电子，并将其注入到半导体的导带中，从而产生光电流。
另一种类型是量子点异质结太阳能电池。
通过在量子点和其他半导体材料之间构建异质结，可以有效地分离和传输光生载流子，提高电池的性能。
然而，量子点在太阳能电池中的应用也面临着一些挑战。
其中之一是量子点的团聚问题。
由于量子点的表面能较高，它们容易团聚在一起，从而影响其光学和电学性能。
为了解决这个问题，研究人员通常采用表面修饰等方法来增加量子点的稳定性和分散性。
另一个挑战是量子点的电荷传输性能有待提高。
虽然量子点具有较高的电荷产生效率，但电荷在量子点之间的传输往往受到阻碍，导致电荷复合损失增加。
硅基量子点的合成及其在光电子领域的应用
硅基量子点的合成及其在光电子领域的应用随着纳米科技的发展，人们对于纳米材料的研究也越来越深入。
硅基量子点作为一种新兴的纳米材料，在光电子领域具有广阔的应用前景。
本文将介绍硅基量子点的制备方法及其在光电子器件中的应用。
一、硅基量子点的合成方法硅基量子点指的是直径在1~10nm范围内的硅小球，其具有尺寸效应、量子限制效应等性质。
硅基量子点的制备方法较多，下面详细介绍其中的几种方法。
1. 溶胶-凝胶法此法是将氨水和硅酸乙酯混合后，在高温下使其旋转干燥，最后得到硅基量子点。
该方法适用于大批量生产硅基量子点。
2. 热原子蒸发法该法是将硅单质在真空环境下蒸发并在惰性气体环境下冷却，得到硅基量子点。
该方法制备的硅基量子点尺寸分布较为窄，但生产效率较低。
3. 生长法此法是将硅基原子导入耐高温介质中，在高温下进行热处理，生长出一系列硅基量子点。
该方法生产出的硅基量子点具有高质量，但生产成本较高。
二、硅基量子点在光电子器件中的应用硅基量子点在光电子器件中的应用主要涉及到电致发光器件、太阳能转化器件、生物成像器件等。
1. 电致发光器件电致发光器件利用硅基量子点的稳定性和可控性，将硅基量子点集成到半导体材料中，通过加电使其发光。
该器件具有快速反应速度、高发光效率等特点。
2. 太阳能转化器件硅基量子点具有较高的光电转化率，能够将太阳能转化为电能。
将硅基量子点集成到太阳能电池中，可以提高太阳能电池的光电转化率、降低成本。
3. 生物成像器件硅基量子点通过修饰表面，可在生物体内成像，被广泛应用于生物诊断领域。
硅基量子点具有稳定性、低毒性等优点，能够有效减少对生物体的影响。
三、硅基量子点的发展前景硅基量子点的应用前景十分广阔。
随着技术的发展，硅基量子点的制备方法和性能会越来越优化。
硅基量子点具有稳定性、可控性好、反应速度快等优点，在光电子器件领域的应用前景十分广阔。
结语硅基量子点在光电子领域中的应用不断拓展，尤其是在太阳能转化和生物成像方面具有广阔的应用前景。
量子点材料用于提高太阳能电池效率的技巧分享
量子点材料用于提高太阳能电池效率的技巧分享随着全球对清洁能源的需求不断增加，太阳能电池作为一种可再生能源的重要来源备受关注。
然而，传统的太阳能电池仍然面临许多挑战，如效率低、成本高、稳定性差等问题。
为了克服这些问题，科学家们开始转向量子点材料，这些材料具有独特的光电性质，有望在太阳能电池领域取得突破。
本文将分享一些关于如何利用量子点材料来提高太阳能电池效率的技巧。
首先，了解量子点的基本概念是理解其在太阳能电池中应用的关键。
量子点是一种纳米尺寸的半导体晶体，其大小通常在1到10纳米之间。
由于其尺寸与光子波长相近，量子点具有调节光的能力，能够将光的能量转化为电能。
这使得量子点成为太阳能电池的理想选择之一。
其次，选择合适的量子点材料对于提高太阳能电池效率至关重要。
目前，研究人员已经合成了许多不同种类的量子点材料，包括硫化镉、硫化铅、硒化铊等。
这些材料具有不同的光吸收能力和能带结构，因此对电池效率的影响也不同。
选择合适的量子点材料需要考虑到其光吸收范围、能带结构以及材料的稳定性等因素，以确保最大限度地提高电池的光能转换效率。
此外，在应用量子点材料时，合理设计电池的结构和界面也至关重要。
由于量子点材料具有独特的光电性质，利用这些性质来增强光的吸收和电荷传输可以大大提高太阳能电池的效率。
其中一种常见的方法是将量子点材料与传统的半导体晶体相结合，形成异质结构。
这种异质结构可以通过调节量子点与半导体之间的能带结构来实现更高效的光电转换。
此外，对电池的界面进行精确控制，以减少电荷的损失和反向传输也是至关重要的。
另外，研究人员还通过优化量子点的尺寸和组成等参数来提高太阳能电池的效率。
量子点的尺寸对其光电性质有着重要的影响。
较小的量子点能够对更高能量的光进行吸收和转换，而较大的量子点则有利于对低能量光的利用。
因此，通过调节量子点的尺寸，可以实现对不同波长光的高效吸收和转换。
此外，通过调节量子点的组成，可以调整其能带结构和光学性质，从而进一步优化太阳能电池的效率。
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激光与光电子学进展47,082501(2010)Lase r &Opto elec troni c s Pro g res s oC 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 AApplication of Silicon Quantum Dots in Solar CellsJiang 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 a2Depar 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,ChinaAb stract The current development situation of silicon quantum dots (QDs)solar cells is described.The mult-iexciton phenomenon generated by the impact ionization due to the quantum c onfinement effect is introduced,and thesilicon Q Ds cell design theory is ana lyzed.Meanwhile,several current production proc esses of the silicon quantumdots at present,and the deta iled precipitation process of silicon quantum dots from silicon -rich silicon layers a represented.Finally,severa l kinds of configurations of t he silic on QDs cells such a s tandem solar cells,PN junctionsolar cells,and intermediate band -gap solar cells are introduced.Key words optoelectronics;silicon quantum dots;impact ionization;electron -hole pair multiplication;solar cellsconfiguration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@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 @(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]。