量子点太阳能电池---原理,技术最新介绍
《量子点太阳能电池》课件
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量子点太阳能电池的研究成果和实际应用案例
研究成果:量 子点太阳能电 池具有较高的 光电转换效率
和稳定性
实际应用案例: 量子点太阳能 电池已在太阳 能汽车、太阳 能路灯等领域
得到应用
技术挑战:量 子点太阳能电 池在生产过程 中存在成本高、 稳定性差等问
题
发展趋势:量 子点太阳能电 池有望在未来 成为主流太阳 能电池技术之
量子点材料的能级结构
量子点材料的能级结构是由量子点尺寸和形状决定的 量子点材料的能级结构具有离散性,可以形成量子阱 量子点材料的能级结构可以通过改变量子点的尺寸和形状来调节 量子点材料的能级结构可以应用于太阳能电池,提高光电转换效率
量子点材料的光学性质
量子点材料的发光特性:量子点材料具有独特的发光特性,可以通过改变量子点的尺寸和形 状来调节其发光波长和强度。
一
06
量子点太阳能电池的挑 战和前景
量子点太阳能电池面临的挑战和问题
量子点稳定性:量 子点在光照、温度 等条件下容易发生 衰变,影响电池性 能
量子点合成:量 子点合成工艺复 杂,成本较高, 需要进一步优化
量子点太阳能电池 效率:目前量子点 太阳能电池效率较 低,需要进一步提 高
量子点太阳能电池 商业化:量子点太 阳能电池商业化进 程缓慢,需要进一 步推动
稳定性:量子点太阳能电池的稳定性是指电池在长时间使用后,其光电转换效率的 变化情况。稳定性好的电池,其光电转换效率下降较慢。
耐候性:量子点太阳能电池的耐候性是指电池在恶劣环境下,如高温、低温、潮湿 等,其光电转换效率的变化情况。耐候性好的电池,其光电转换效率受环境影响较 小。
量子点太阳能电池的效率提升途径
量子点太阳能电池的发展趋势和未来展望
量子点太阳能电池的制备及其性能研究
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量子点太阳能电池的制备及其性能研究随着能源危机的持续加剧,寻求可再生、清洁、高效能源已成为全球研究的热点。
太阳能作为一种最为广泛的可再生能源之一,受到了广泛的重视和研究。
而其中,量子点太阳能电池作为一种新的太阳能电池,由于其比传统太阳能电池具有更高的光电转换效率和更好的稳定性,成为了现在研发的重点之一。
本文将介绍量子点太阳能电池的制备方法,及其性能研究的最新进展。
一、量子点太阳能电池的制备方法量子点太阳能电池,其核心在于量子点的制备。
目前研究中,主要采用溶液法、脉冲热蒸发法、多层石墨烯(graphene)化学气相沉积法等多种方法制备量子点。
1. 溶液法溶液法是最为常见的量子点制备法之一。
该方法具有成本低、环保等优点,适用于规模化制备。
通过控制溶液中原料的浓度、温度、反应时间等因素,可以获得高质量、均匀分布的量子点。
2. 脉冲热蒸发法脉冲热蒸发法是近年来发展的新型量子点制备法。
该方法通过使用高速电子束或激光束,使金属或半导体材料在瞬间升温,产生物质挥发,形成量子点。
相较于溶液法,该方法制备的量子点具有更窄的分布范围,能更精确地调控量子点的尺寸和结构。
3. 多层石墨烯化学气相沉积法多层石墨烯化学气相沉积法,是一种环保、便捷、低成本的制备方法。
该方法通过石墨烯材料和原子层沉积技术,可以制备一系列大小可控的量子点。
石墨烯是一种二维材料,具有高导性和高可塑性等特点,可以使得量子点的晶格结构更为完整和规整。
以上三种方法均能制备出量子点,但具体选用何种方法需要根据具体研究的要求来确定。
二、量子点太阳能电池的性能研究量子点太阳能电池相较于传统太阳能电池,拥有一系列优良性能。
主要包括以下几方面:1. 高光电转换效率量子点太阳能电池利用量子点的表面能级结构和量子效应,可以促进光电转换,从而提高光电转换效率。
同时,合理控制量子点尺寸,可以调控电子的能带结构,使得电子更容易被激发,从而光电转换效率更高。
2. 良好的稳定性传统太阳能电池易受光照、高温等环境影响,导致性能下降。
量子点太阳能电池技术概况
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量子点的电子显微镜照片
62 Advanced Materials Industry
FRONTIER 前 沿
由负载到达对电极,在对电极还原电 解液中的氧化态物质S22- ;同时,量子 点中的空穴被电解液中的还原态物 质S2-还原而完成一个循环。目前的量 子点敏化太阳能电池的最高效率为 5.4%。
另 外,有 机-无 机 异 质 结 量 子 点 太阳能电池与量子点敏化太阳能电池 的区别较难界定,二者之间是有交集 的,因此也有一些人把有机-无机异 质结量子点太阳能电池、极薄吸收层 量子点太阳能电池归结为量子点敏化 太阳能电池。
目前,国内许多高校、科研院所也 都开展了量子点太阳能电池方面的工 作,如中国科学院物理研究所、中国科 学院化学研究所、中国科学院电工研 究所、北京大学、清华大学、北京信息
未来的量子点太阳能电池
科技大学、北京航空航天大学、华东师 范大学、华东理工大学、厦门大学、西 北工业大学、哈尔滨工业大学等。
其中,中国科学院物理研究所孟 庆波团队于 2007年起开展了量子点 太阳能电池的研究工作,目前在电池 关键材料(量子点的制备、电解质、对 电极及光阳极材料)设计、制备及器件 性能研究方面较为突出,已发表文章 15篇,申请专利 5项专利,其中 2项已 获授权。 3.发展趋势
极薄吸收层量子点电池的基本结 构是,极薄的量子点层(约 150nm厚,i 型)作为主要的光吸收层,像三明治一样 夹在n型无机半导体〔一般为TiO2或氧化 锌(ZnO)〕和p型无机半导体〔一般为碘 化亚铜(CuI),异硫氰酸胍(CuSCN)等〕 中间。半导体和量子点层的接触面积、量 子点层厚度对于电池效率影响较大。目 前,以三硫化二锑(Sb2S3)为量子点层材 料的TiO2/Sb2S3/CuSCN的极薄吸收层 太阳能电池效率为 3.37%。
量子科技在太阳能电池中的运作原理
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量子科技在太阳能电池中的运作原理引言:太阳能电池作为一种可再生能源的代表,被广泛应用于日常生活和工业生产中。
然而,随着科技的进步,研究人员开始探索新的技术和材料来提高太阳能电池的效率和稳定性。
其中,量子科技作为一种新兴的领域,引发了人们的极大兴趣。
本文将探讨量子科技在太阳能电池中的运作原理,以及相关的应用和前景。
一、太阳能电池的基本原理太阳能电池是一种能够将太阳能转化为电能的器件。
它基于光电效应的原理,即光子的能量可以激发材料中的电子从价带跃迁到导带,形成电子-空穴对。
通过引导和收集这些电子-空穴对,即可产生电流。
二、量子效应在太阳能电池中的作用1. 光吸收效率的提高传统太阳能电池使用的是连续的光谱,而量子效应可以帮助太阳能电池更高效地吸收太阳能。
量子效应的特性使得能量吸收限制在特定频率范围内,因此可以针对性地设计和制备材料,使其对太阳能的光子吸收率更高。
2. 能量传输的控制量子效应可以控制光子在材料中的传输行为,以提高电流的生成。
通过调整材料的能带结构和粒子的尺寸,可以实现光子的波导效应和共振效应,从而增强光子在太阳能电池中的传输效率。
3. 电子的限域和载流子分离利用量子效应,可以将电子限域在纳米尺度范围内,从而有效地增加电子与阳离子的相互作用。
这样可以增加电子将光能转化为电能的效率,并将它们从阳离子中迅速分离,避免反向复合。
三、量子点太阳能电池量子点是一种体积小于10纳米的纳米粒子,具有量子效应的特性。
量子点太阳能电池是利用量子点材料独特的光学和电子性质来实现高效能量转换的太阳能电池。
一种常见的量子点太阳能电池结构是敏化太阳能电池(DSSC),它使用半导体量子点材料作为光敏剂。
在DSSC中,量子点被吸附到可导电的表面上,并与电解质界面接触。
光子进入量子点后,激发导带中的电子,并形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对会在电解质中传输,并通过适当的电池结构,产生电流。
量子点太阳能电池具有以下优点:1. 宽光谱吸收能力:量子点材料的能带结构可以通过调整尺寸和组成,使其在更宽的光谱范围内吸收光。
量子点太阳能电池的研究进展与展望
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量子点太阳能电池的研究进展与展望随着全球能源需求的不断增加和以化石能源为主的能源结构趋于枯竭,可再生能源逐渐成为人们眼中的宝贵财富。
太阳能电池是一种最为广泛应用的可再生能源,但其能效和成本仍然是相对薄弱的环节,这也使得太阳能电池的性能与稳定性受到诸多限制。
近年来,量子点太阳能电池作为一种新型太阳能电池备受研究人员关注,其特殊的光电性质和高效率的能量转换使得其被誉为太阳能电池技术的“未来之星”。
本文将就量子点太阳能电池的研究进展及其未来发展趋势进行探讨。
一、量子点太阳能电池的基本原理量子点太阳能电池是一种基于半导体量子点的太阳能电池,利用量子点表面和体积效应调控电子能带结构和载流子性质,来提高太阳能电池的转换效率。
其基本结构由p型和n型半导体夹层组成,中间加入由量子点形成的导电通道,形成一个电子-空穴对的太阳能电池器件。
量子点具有在大面积表面积下形成高能量状态的能力,这使得量子点具有独特的光电性质。
太阳光线照射量子点,可激发其内部原子的电子跃迁至更高的能级,释放出生动的电子-空穴对。
这些电子-空穴对会向导电通道聚集,形成电子流和空穴流,从而发挥太阳能电池所应有的作用。
二、量子点太阳能电池的研究进展1.量子点材料的开发和改良量子点太阳能电池依赖于量子点材料的特殊性质,大多数被用作量子点材料的是二氧化硅和硒化硒等无机材料。
此外,近年来也出现了基于有机分子、高分子、金属有机框架等新型量子点材料。
在量子点材料的改良方面,主要包含两个方向:一是利用新型合成技术,生产出单晶质量较高的大面积化合物量子点;二是通过表面修饰、包覆等手段,控制量子点光电性能,提高光电转换效率和稳定性。
这都为量子点太阳能电池的研究提供了基础。
2.量子点太阳能电池性能的改善量子点太阳能电池将太阳能转化成电能的效率主要取决于太阳光的吸收程度、电荷转移效率和载流子耗散的抑制程度。
近年来的研究表明,在量子点太阳能电池的系统中引入阴极、阳极二氧化钛载体等结构,可以大幅度提升电池的光电转换效率。
量子点太阳能电池
![量子点太阳能电池](https://img.taocdn.com/s3/m/c277aca4690203d8ce2f0066f5335a8102d266ec.png)
量子点太阳能电池
量子点太阳能电池是一种利用量子点光电转换材料作为能量转换器,以获得能源的新
型太阳能电池。
它是一种比传统太阳能电池具有更高效率的绿色能源技术。
量子点太阳能
电池能够将太阳能有效转换成电能,可以用于发电和充电电池。
可以使用单纯的量子点材
料制成太阳能电池,也可以将它们与染料敏化剂或活性物质结合使用,制成更先进的太阳
能电池,比如量子点-染料敏化太阳能电池。
量子点太阳能电池原理是使用量子点结构和特性,以使其具有很强的光催化能力,可
以把太阳光转化成电能,从而解决传统太阳能电池低效问题。
量子点可设计成各种不同的
尺寸和形状,它们的光电转换效率远比传统的太阳能电池要高,可以增大太阳能电池的光
强度,从而提高其电力转换效率。
量子点太阳能电池有许多优点,它们的生产成本较低,其静电特性比其他电池技术较低,容易加工和制造,成本低,它们可以轻松地整合到太阳能生产系统中来提高太阳能利
用率,可以增强太阳能电池的灵活性和可靠性。
量子点太阳能电池另一个优点是其完全可再生的特性。
因为它们的结构不会受到任何
有害的气体、温度或湿度的影响,所以它们可以重复使用多次,对环境也是有益的。
虽然目前量子点太阳能电池具有许多优点,但也存在一些问题,比如其成本相对较高,还有一些技术上的挑战,如长期稳定性、可靠性和性能。
因此,生产商和研究者正努力改
进设计,以增加性能,降低成本。
且随着技术的发展,量子点太阳能电池有望在未来成为
一种高效、可靠并低成本的可再生能源技术,是可持续发展的绿色技术。
量子点敏化太阳能电池的研究及应用前景
![量子点敏化太阳能电池的研究及应用前景](https://img.taocdn.com/s3/m/e89d868164ce0508763231126edb6f1afe00714b.png)
量子点敏化太阳能电池的研究及应用前景随着环保意识的日益增强,太阳能电池作为一种可再生能源,备受人们的关注。
近年来,量子点敏化太阳能电池的研究备受关注,被认为是未来太阳能电池的发展方向之一。
本文将从量子点敏化太阳能电池的基本原理、研究进展和应用前景三个方面展开探讨。
一、基本原理量子点是一种新型半导体材料,由于其晶体大小只有几个纳米级别,使其具有很多特殊的性质。
量子点敏化太阳能电池是一种以量子点材料为敏化剂的电池,主要由传统钙钛矿太阳能电池和量子点层组成。
传统钙钛矿太阳能电池是目前市场上应用最广泛的太阳能电池,其材料主要有二氧化钛等。
由于钙钛矿材料的局限性,如光电性能不稳定、生产成本高等问题,人们将目光投向了材料和结构更加复杂的量子点敏化太阳能电池。
量子点敏化太阳能电池的原理是通过将量子点敏化剂涂在钙钛矿层上,利用量子点本身的特性来增加太阳能电池对光的吸收能力,从而提高光电转化效率。
具体来说,量子点可以实现光的多次散射,形成“光捕获漏斗”结构,使得钙钛矿更容易吸收光线并将其转化为电流。
此外,量子点的带隙可以通过控制粒子的大小和组成来调整,以实现对太阳光谱的优化。
二、研究进展量子点敏化太阳能电池的研究始于20世纪90年代,至今已有20余年历史。
研究者们通过不断尝试新的材料和结构,逐渐提高了太阳能电池的光电转化效率。
如2005年,研究者就利用CdS量子点敏化剂成功制备了4.2%的太阳能电池,并将效率提升至6.7%后,量子点材料正式引起了全球研究者的关注。
不断的研究和改进,使得该太阳能电池的效率已达到了13%。
在研究进展的基础上,量子点敏化太阳能电池被广泛应用于生活中的不同领域。
如,量子点敏化太阳能电池可以应用于智能家居领域,为家居设备提供可更换电池的智能技术,增强家居设备的收集、传输和处理信息的能力;在可穿戴电子产品中,量子点敏化太阳能电池可以再次使用与紫外线下充电。
在农业领域,量子点敏化太阳能电池可以实现水稻光合途径的光谱优化,从而提高光合作用水平,增加作物产量。
量子点敏化太阳能电池
![量子点敏化太阳能电池](https://img.taocdn.com/s3/m/b17b42efac51f01dc281e53a580216fc700a5302.png)
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。
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](https://img.taocdn.com/s3/m/9baef81d3069a45177232f60ddccda38366be179.png)
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。
钙钛矿量子点太阳能电池效率
![钙钛矿量子点太阳能电池效率](https://img.taocdn.com/s3/m/c194df0df011f18583d049649b6648d7c1c70839.png)
钙钛矿量子点太阳能电池效率概述钙钛矿量子点太阳能电池是一种新型的太阳能转换技术,具有高效率、低成本、可调控性等优势。
本文将详细介绍钙钛矿量子点太阳能电池的原理、制备方法以及提高效率的途径。
钙钛矿量子点太阳能电池原理钙钛矿是一种晶体结构稳定、光吸收范围广泛且具有良好光电性能的材料。
量子点则是一种纳米级别的半导体材料,具有尺寸效应和量子限域效应。
将这两者结合起来,形成了钙钛矿量子点太阳能电池。
在钙钛矿量子点太阳能电池中,量子点作为光敏剂吸收光能,并将其转化为电荷载流子。
通过在正负极之间施加外加电场,将载流子分离并收集到相应的极板上,从而产生电流。
这样就实现了光能到电能的转换过程。
制备方法制备钙钛矿量子点太阳能电池的关键在于合成高质量的钙钛矿量子点。
目前常用的制备方法有溶液法、气相沉积法和固相法等。
溶液法溶液法是一种较为简便、成本较低的制备方法。
其主要步骤包括: 1. 准备合适浓度的钙钛矿前驱体溶液; 2. 将前驱体溶液滴在基底上,形成薄膜; 3. 经过退火等处理,形成钙钛矿量子点。
气相沉积法气相沉积法是一种通过化学反应在气相中生成钙钛矿量子点的方法。
其主要步骤包括: 1. 准备适当的前驱体气体; 2. 将前驱体气体引入反应室中,与其他反应物发生化学反应; 3. 在基底表面上沉积生成钙钛矿量子点。
固相法固相法是一种通过固态反应合成钙钛矿量子点的方法。
其主要步骤包括: 1. 准备适当比例的前驱体粉末; 2. 在高温条件下,将前驱体粉末进行反应; 3. 经过热处理、退火等步骤,形成钙钛矿量子点。
提高效率的途径为了提高钙钛矿量子点太阳能电池的效率,可以从以下几个方面进行优化:材料优化钙钛矿量子点的材料选择对于电池效率具有重要影响。
通过调整材料组分、控制粒径大小和形貌等参数,可以提高光吸收和光电转换效率。
结构优化优化电池结构可以改善光的吸收和载流子传输等过程。
例如采用多层结构或纳米结构设计,增加光程和表面积,提高光吸收效果;采用合适的电极材料和结构设计,降低载流子传输阻抗。
量子点太阳能电池中界面电荷转移机理研究
![量子点太阳能电池中界面电荷转移机理研究](https://img.taocdn.com/s3/m/6323b37a2f3f5727a5e9856a561252d380eb201d.png)
量子点太阳能电池中界面电荷转移机理研究近年来,随着人们对环境保护和人类可持续发展的日益关注,探索清洁可再生的新能源成为了全球研究的热点之一。
在各种新能源技术中,太阳能电池因其高能量利用、环保、长寿命等特点逐渐受到了广泛的关注。
然而,现有的太阳能电池仍然存在着不少问题,如效率低、成本高等。
为了解决这些问题,科学家们开展了各种复杂的研究工作,其中涉及到了诸多的科学原理和技术手段。
本文将探讨其中一种最新研究成果——量子点太阳能电池中的界面电荷转移机理。
一、量子点太阳能电池的基本原理量子点太阳能电池,简称QDSSC,是一种新兴的太阳能光电转换器。
它通过将量子点(即直径在1-10nm之间的半导体颗粒)嵌入到普通太阳能电池中,来改善电池的光吸收性能和电荷分离效率。
具体来说,这种电池通过光子激发量子点和半导体之间的电子跃迁,使光子能量转化为电势能,最终将电流输送至电路中。
与传统的硅太阳能电池相比,QDSSC具有较高的光电转换效率、较宽的光谱响应和更强的稳定性等特点。
二、界面电荷转移机理在了解QDSSC的界面电荷转移机理之前,我们需要先了解一些基础概念。
在半导体电荷转移过程中,当光子撞击到半导体上时,会产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对通过扩散(即沿着浓度梯度运动)或漂移(即在电场作用下运动)进入到半导体中的电池结构中,进而产生电流。
在QDSSC中,由于量子点的引入,这种电荷转移机理发生了一些变化。
界面电荷转移机理是指在QDSSC中,量子点和半导体材料间形成的点对点结构使得电荷的扩散长度减小,从而提高了电池的光电转换效率。
这种电子-空穴对在量子点和半导体之间传递时,会形成不同的束缚态能级,从而使其能量发生变化。
在固定的能级状态下,束缚态能级能导致电荷从光吸收区快速转移到半导体中的电池结构,从而大大提高了电池的电子-空穴对分离效率和电荷传输效率。
因此,界面电荷转移机理是一种高效的电荷传输方式,可帮助QDSSC实现高能量利用率和高稳定性。
量子点敏化太阳能电池
![量子点敏化太阳能电池](https://img.taocdn.com/s3/m/d0e8e87d3a3567ec102de2bd960590c69ec3d892.png)
3. 量子点敏化太阳能电池的工作原理
理解后可重点讲一讲这个过程
光照下,量子点吸收光子后被激发,产生电子空穴对并发生分离,电子快速注入到TiO2导带并 经TiO2被外电路收集,量子点的空穴被电解质还 原回到基态,电解质在对电极处接收外电路流入 的电子完成再生,从而完成一个循环。光电转换 主要通过三个界面完成:(1) 量子点与金属氧化物 半导体界面;(2) 量子点和电解质界面和(3)电解 质与对电极界面。
第2代是无机薄膜太阳能电池(以CdS, GaAs或 CuInGaSn等为活性层)。与单晶硅太阳能电池相 比,这种电池的产品制造成本低、生产效率高、 可柔性制备,在市场中也占有一定份额。但它 们的电池效率和稳定性都较差,同时含有很多 稀有金属和有毒元素,因此限制了商业上的广 泛应用
第3代是新型太阳能电池(包括染料敏化、有机及钙 钛矿太阳能电池)。这类电池制备流程简单、成本较 低,且具有一定柔性,此外其光电转化效率高,有 很大的商业应用前景。特别地,量子点敏化太阳能 电池由于能量转换效率赢得了众多科研探索人员的 青睐,单个P-N结太阳能电池的理论能量转换效率 可达44%。
(3)优化作为量子点沉积基底的TiO2薄膜的比表面积,增多量子点的可沉积位点, 提高光阳极整体的敏化性能
5. 量子点敏化太阳能电池的独特优势
在光伏电池领域,量子点最具有吸引力的特点之一就是通 过调控粒径尺寸实现量子点的能带可调节性,进而实现对 光谱吸收范围的可调控性。量子点敏化太阳能电池直接受 益与此现象是通过粒径调控,实现从可见到近红外光区的 光谱吸收。由于太阳光的光谱辐射有一半以上是在红外区, 因此对红外光子的捕获对提高太阳能电池的光电转换效率 具有重要意义
量子点钙钛矿太阳能电池和光伏
![量子点钙钛矿太阳能电池和光伏](https://img.taocdn.com/s3/m/37c6c522fbd6195f312b3169a45177232f60e43e.png)
量子点钙钛矿太阳能电池和光伏太阳能是一种可再生能源,具有广阔的应用前景。
为了提高太阳能的转换效率,科学家们一直在不断研究和改进太阳能电池技术。
近年来,量子点钙钛矿太阳能电池成为了研究的热点之一。
本文将介绍量子点钙钛矿太阳能电池的原理和优势,并对其与传统光伏技术进行对比。
量子点钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池,采用了钙钛矿材料和量子点技术。
钙钛矿是一种具有优异光电性能的半导体材料,具有高吸收系数、长寿命和高电荷迁移率等特点。
量子点是一种纳米级的材料,其尺寸通常在1-10纳米之间。
量子点的能带结构可以通过调控其尺寸和组成来实现对光电性能的调节。
量子点钙钛矿太阳能电池的工作原理如下:光线照射到太阳能电池上,被钙钛矿材料吸收后产生电子空穴对。
量子点作为电子传输层和电荷传输层,可以有效地提高电子和空穴的传输效率。
光生电子和空穴在电池内部进行电荷分离和传输,最终产生电流。
量子点钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率、低成本、良好的稳定性和可调性等优点。
与传统的光伏技术相比,量子点钙钛矿太阳能电池具有以下几个优势:1. 光电转换效率高:钙钛矿材料具有宽带隙和高吸收系数,可以吸收太阳光谱中的大部分能量。
量子点的能带结构可以调节光电性能,进一步提高光电转换效率。
研究表明,量子点钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到了22.1%,接近传统硅基太阳能电池的水平。
2. 良好的稳定性:量子点钙钛矿太阳能电池具有较高的稳定性,能够在高温、湿度和光照条件下保持较好的性能。
这使得量子点钙钛矿太阳能电池在实际应用中具有较高的可靠性和耐用性。
3. 可调性和多样性:量子点的尺寸和组成可以通过化学合成方法进行调控,可以实现对材料的能带结构和光电性能的调节。
这意味着量子点钙钛矿太阳能电池可以根据具体需求进行定制,以满足不同应用场景的要求。
然而,量子点钙钛矿太阳能电池也存在一些挑战和问题。
首先,钙钛矿材料对空气和水分敏感,需要在稳定的环境中进行制备和封装。
量子点太阳能电池
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量子点的优点 1吸光范围可以通过调节颗粒的组分和尺寸来 获得,并且可以从可见光到红外光。 2化学稳定性好 3合成过程简单,是低成本的吸光材料 4具有高消光系数和本征偶极矩。 5相对于体相半导体材料,采用量子点可以更 容易实现电子给体和受体材料的能级匹配。
更重要的是,量子点可以吸收高能光 子并且一个光子可以产生多个电子一空 穴对(多激子效应)。 理论上预测的量子点电池效率可以达 到44%。因此,量子点太阳能电池常常 被称作第3代太阳能电池,具有巨大的发 展前景。
所谓的中间带材 料是在传统半导体Leabharlann 料的价带和导带之间 存在一个中间带。
三 总结与展望
在量子点太阳电池领域里,有关效率 提高的实验证明:可以通过应用纳米材 料技术突破效率限制。
•
量子点的量子效应大大提高了俄歇过程, 有效的改进了形成电子空穴对的动力学弛豫, 同时也提高了多激子产生的效率,因此可以达 到提高光电流的目的。 • 尽管部分效应已经被证实但是要在没有电 压下降的情况下提高光电流的目标还是没有很 好的达到,这可能是由于量子点提供弱的光吸 收的影响。
在中间带太阳能电池需要解决的问题 中,最关键的是解决光的有效吸收问题。
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, 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。
二 量子点太阳能电池的物理机理 半导体量子点太阳能电池通过以下两个 效应可以大大增加光电转换效率: 1. 来自具有充足能量的单光子激发产生多 激子; 2.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。
量子点,钙钛矿太阳能电池
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量子点,钙钛矿太阳能电池随着科技不断发展,太阳能电池成为了一种快速发展的清洁能源,同时也带来了一些新的技术和材料。
其中,钙钛矿太阳能电池和量子点太阳能电池凭借着其独特的性能,备受关注。
在这篇文章中,我们将介绍这两种新型太阳能电池的基本原理以及一些关键技术。
一、量子点太阳能电池1. 基本原理量子点太阳能电池是一种利用微小的半导体材料(量子点)将光转化为电子的太阳能电池。
量子点被设计成能够吸收特定波长的光线。
当光线照射到量子点上时,电子被激发并跳到一个高能级,从而将光能转化为电能。
2. 技术难点量子点太阳能电池的制造需要高精度的显微技术和半导体工艺技术。
另外,量子点的尺寸和形状对其性能有很大的影响,因此需要对这些参数进行定制化设计。
3. 应用前景量子点太阳能电池可以在室内照明和小型电子设备中应用。
他们非常小巧,轻便,因此可以用在可穿戴设备和智能家居中。
与此同时,量子点太阳能电池还可以用于提高大型太阳能电池组的效率。
二、钙钛矿太阳能电池1. 基本原理钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池,可以将光能有效地转化为电能。
它们以钙钛矿晶体结构为基础,通过分层薄膜和电解质制成。
当太阳光线照射到钙钛矿上时,电子被激发并从半导体材料中释放出来,形成电流。
2. 技术难点虽然钙钛矿太阳能电池在转化效率方面表现出色,但是也有一些技术上的挑战。
钙钛矿材料需要通过高温和成熟的半导体工艺来制造。
此外,钙钛矿太阳能电池通常需要稳定的温度和湿度来保持性能。
3. 应用前景钙钛矿太阳能电池是当今最具前景的清洁能源技术之一。
有了更高的转换效率和稳定性,它们将成为太阳能电池行业的主流产品。
预计未来钙钛矿太阳能电池将在能源管理、智能建筑、基础设施等领域得到广泛应用,取代传统的化石燃料。
总之,量子点太阳能电池和钙钛矿太阳能电池都是新型太阳能电池,具有出色的转化效率和广泛的应用前景。
我们相信,这两种电池的不断发展和创新将会推动清洁能源领域的发展。
了解量子点太阳能电池的工作原理
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了解量子点太阳能电池的工作原理量子点太阳能电池是一种新型的光伏技术,它采用了量子点作为光敏材料,具有出色的光电转换效率和抗光衰减特性。
本文将对量子点太阳能电池的工作原理进行详细介绍。
首先,让我们了解一下什么是量子点。
量子点是具有特定尺寸的半导体纳米晶体,在三维空间中呈现球形或柱状。
由于其尺寸的限制,量子点的电子在能级上出现了离散的能带结构,这使得量子点能够对辐射能谱进行高效率地吸收。
量子点太阳能电池的工作原理依赖于电荷转移过程。
当光线照射到量子点太阳能电池的表面时,量子点吸收光子能量,并将其转化为激发态的电子。
这些激发态的电子被称为激子,它们在量子点内部进行非辐射复合或在半导体内部通过能带重组形成自由载流子。
这些自由载流子在电场的作用下被分离,并形成电流。
与传统的太阳能电池相比,量子点太阳能电池具有以下几个优势。
首先,量子点太阳能电池能够在更宽的光谱范围内吸收光能。
由于量子点材料的能级结构可以根据其尺寸进行调控,因此量子点太阳能电池能够吸收可见光、近红外光甚至是紫外线光。
这使得量子点太阳能电池的光电转换效率更高。
其次,由于量子点具有较小的尺寸,量子点太阳能电池可以实现多重能带的吸收。
传统的太阳能电池由于能带的限制只能吸收一定波长范围内的光线,而量子点太阳能电池通过调整量子点材料的尺寸和组成,可以实现多能带的吸收。
这使得量子点太阳能电池在吸收不同波长的光线时都能够保持较高的效率。
此外,量子点太阳能电池还具有较长的载流子寿命。
量子点内部的非辐射复合过程相对较长,使得自由载流子可以在材料内部长时间传输和扩散,从而提高了电荷传输效率和载流子寿命。
这对于太阳能电池的稳定性和性能表现具有重要意义。
另外,量子点太阳能电池还可以制备成柔性和透明的薄膜状,因此具有更广泛的应用前景。
与传统的硅基太阳能电池相比,量子点太阳能电池更容易集成到纺织品、建筑材料和电子设备中,以满足多种需求。
尽管量子点太阳能电池具有许多优势,但目前仍存在一些挑战和局限性。
量子点电池的原理和应用
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量子点电池的原理和应用1. 量子点电池的概述量子点电池是一种基于量子点材料制备的新型太阳能电池。
通过利用量子点材料的特殊性质,如量子尺寸效应和量子限制效应,量子点电池能够提高光电转换效率和稳定性,成为可持续发展的清洁能源技术。
2. 量子点电池的工作原理量子点电池的工作原理基于光电效应和量子尺寸效应。
当光照射到量子点电极上时,光子能量被吸收,并将激发电子从价带跃迁到导带。
量子点的特殊结构使得电子在空间限制下运动,增加了光电转换效率。
这些电子可以通过导电材料传输到电池电极,从而产生电流。
3. 量子点电池的优势量子点电池相比传统太阳能电池具有以下优势:•高光电转换效率:量子点材料具有量子限制效应,能够有效利用光能,提高光电转换效率。
•宽光谱响应:量子点电池对太阳光谱的各个波段都有良好的响应能力,可以更全面地利用光能。
•调控带隙:通过控制量子点的尺寸和组成,可以调节其带隙,以适应不同光谱条件下的光吸收和光电转换。
•高稳定性:量子点材料具有良好的光稳定性和抗光热退化性能,可以有效延长电池的使用寿命。
4. 量子点电池的应用量子点电池具有广泛的应用前景,以下是一些具体的应用领域:4.1 光伏发电由于量子点电池具有高效率和宽光谱响应的特点,可应用于光伏发电领域。
量子点电池可以在多个波段上吸收光能,提供更高的光电转换效率,进一步提升光伏发电的能源利用效率。
4.2 柔性电子产品量子点电池具有柔性、轻薄的特性,可以应用于柔性电子产品,如柔性显示屏、可穿戴设备等。
通过将量子点电池与柔性基底相结合,可以实现电池的弯曲和拉伸,满足柔性电子产品的需求。
4.3 光催化由于量子点电池能够有效吸收可见光,将其应用于光催化反应可以提高反应效率。
光催化技术在环境污染治理、水分解制氢等领域具有广泛的应用前景,在能源和环境领域具有重要意义。
4.4 光电子器件量子点电池可以应用于光电子器件,如光电二极管、光电导等。
通过将量子点材料作为光电转换元件,可以实现高效、高精度的光电信号转换,并应用于通信、光电检测等领域。
量子点太阳能电池---原理,技术最新介绍
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Physica E14(2002)115–120/locate/physeQuantum dot solar cellsA.J.Nozik∗National Renewable Energy Laboratory,Center for Basic Sciences,1617Cole Boulevard,Golden,CO80401,USAAbstractQuantum 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 conÿgurations 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 conÿgurations 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 limits1.IntroductionThe 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@(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 absorption1386-9477/02/$-see front matter?2002Elsevier Science B.V.All rights reserved. PII:S1386-9477(02)00374-0116 A.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120can be as high as3000K with the lattice temperature at300K.The division of this kinetic energy between electrons and holes is determined by their e ective masses,with the carrier having the lower e ective mass receiving more of the excess energy[6]. Amajor factor limiting the conversion e ciency in single band gap cells to31%is that the absorbed photon energy above the semiconductor band gap is lost as heat through electron–phonon scattering and subsequent phonon emission,as the carriers relax to their respective band edges(bottom of conduction band for electrons and top of valence for holes).The main approach to reduce this loss in e ciency has been to use a stack of cascaded multiple p–n junctions with band gaps better matched to the solar spectrum; in this way higher-energy photons are absorbed in the higher-band-gap semiconductors and lower-energy photons in the lower-band-gap semiconductors,thus reducing the overall heat loss due to carrier relaxation via phonon emission.In the limit of an inÿnite stack of band gaps perfectly matched to the solar spectrum, the ultimate conversion e ciency at one sun intensity can increase to about66%.Another approach to increasing the conversion e ciency of photovoltaic cells by reducing the loss caused by the thermal relaxation of photogenerated hot electrons and holes is to utilize the hot carriers before they relax to the band edge via phonon emis-sion[6].There are two fundamental ways to utilize the hot carriers for enhancing the e ciency of photon conversion.One way produces an enhanced photo-voltage,and the other way produces an enhanced photocurrent.The former requires that the carriers be extracted from the photoconverter before they cool [7,8],while the latter requires the energetic hot car-riers to produce a second(or more)electron–hole pair through impact ionization[9,10]—a process that is the inverse of an Auger process whereby two electron–hole pairs recombine to produce a sin-gle highly-energetic electron–hole pair.In order to achieve the former,the rates of photogenerated carrier separation,transport,and interfacial transfer across the contacts to the semiconductor must all be fast compared to the rate of carrier cooling[8,12–14]. The latter requires that the rate of impact ionization (i.e.inverse Auger e ect)be greater than the rate of carrier cooling and other relaxation processes for hot carriers.Hot electrons and hot holes generally cool at dif-ferent rates because they generally have di erent e ective masses;for most inorganic semiconductors, electrons have e ective masses that are signiÿcantly lighter than holes and consequently cool more slowly. Another important factor is that hot carrier cooling rates are dependent upon the density of the photogen-erated hot carriers(viz.,the absorbed light intensity) [15–17].Here,most of the dynamical e ects we will discuss are dominated by electrons rather than holes;therefore,we will restrict our discussion pri-marily to the relaxation dynamics of photogenerated electrons.Finally,in recent years it has been proposed [8,12,13,18–21],and experimentally veriÿed in some cases[6],that the relaxation dynamics of photogener-ated carriers may be markedly a ected by quantization e ects in the semiconductor(i.e.,in semiconductor quantum wells,quantum wires,QDs,superlattices, and nanostructures).That is,when the carriers in the semiconductor are conÿned by potential barriers to regions of space that are smaller than or comparable to their deBroglie wavelength or to the Bohr radius of excitons in the semiconductor bulk,the relaxation dynamics can be dramatically altered;speciÿcally the hot carrier cooling rates may be dramatically reduced,and the rate of impact ionization could be-come competitive with the rate of carrier cooling[6] (see Fig.1).Greatly,slowed hot electron cooling in InP QDs has been observed by the research group at NREL[22]. For QDs,one mechanism for breaking the phonon bottleneck that is predicted to slow carrier cooling in QDs and hence allow fast cooling is an Auger process. Here a hot electron can give its excess kinetic energy to a thermalized hole via an Auger process,and then the hole can then cool quickly because of its higher e ective mass and more closely spaced quantized states.However,if the hole is removed from the QD core by a fast hole trap at the surface,then the Auger process is blocked and the phonon bottleneck e ect can occur,thus leading to slow electron cooling.This e ect wasÿrst shown for CdSe QDs[23,24];it has now also been shown for InP QDs,where a fast hole trapping species(Na biphenyl)was found to slow the electron cooling to about7ps[22].This is to be compared to the electron cooling time of0:3ps for passivated InP QDs without a hole trap present andA.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120117Fig.1.Enhanced photovoltaic e ciency in QD solar cells by impact ionization(inverse Auger e ect).thus where the holes are in the QD core and able to undergo an Auger process with the electrons[22].2.Quantum dot solar cell conÿgurationsThe two fundamental pathways for enhancing the conversion e ciency(increased photovoltage[7,8]or increased photocurrent[9,10]can be accessed,in prin-ciple,in three di erent QD solar cell conÿgurations; these conÿgurations are shown in Fig.2and they are described below.However,it is emphasized that these potential high-e ciency conÿgurations are specula-tive and there is no experimental evidence yet that demonstrates actual enhanced conversion e ciencies in any of these systems.2.1.Quantum dot arrays in p–i–n cellsIn this conÿguration,the QDs are formed into an ordered3-D array with inter-QD spacing su ciently small such that strong electronic coupling occurs and minibands are formed to allow long-range electron transport;the QD array is placed in the intrinsicregion Fig.2.Conÿgurations for QD solar cells.(a)a QD array used as a photoelectrode for a photoelectrochemical or as the i-region of a p–i–n photovoltaic cell;(b)QDs used to sensitize a nanocrys-tallineÿlm of a wide band gap oxide semiconductor(viz.,TiO2)to visible light.This conÿguration is analogous to the dye-sensitized solar cell where the dye is replaced by QDs;(c)QDs dispersed in a blend of electron-and hole-conducting polymers.In conÿgu-rations(a),(b)and(c),the occurrence of impact ionization could produce higher photocurrents and higher conversion e ciency.In (a),enhanced e ciency could be achieved either through impact ionization or hot carrier transport through the minibands of the QD array resulting in a higher photopotential.118 A.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120of a p+–i–n+structure(see Fig.2a).The QD array is a3-D analog to a1-D superlattice and the miniband structures formed therein[6].The delocalized quan-tized3-D miniband states could be expected to slow the carrier cooling and permit the transport and col-lection of hot carriers at the respective p and n con-tacts to produce a higher photopotential in a PV cell or in a photoelectrochemical cell where the3-D QD array is the photoelectrode[25].Also,impact ioniza-tion might be expected to occur in the QD arrays, enhancing the photocurrent(see Fig.1).However, hot electron transport=collection and impact ionization cannot occur simultaneously;they are mutually exclu-sive and only one of these processes can be present in a given system.Signiÿcant progress has been made in forming3-D arrays of both colloidal[26]and epitaxial[27]II–VI and III–V QDs.The former have been formed via evaporation and crystallization of colloidal QD solutions containing a uniform QD size distribution; crystallization of QD solids from broader size distribu-tions lead to close-packed QD solids,but with a high degree of disorder.Concerning the latter,arrays of epitaxial QDs have been formed by successive epi-taxial deposition of epitaxial QD layers;after theÿrst layer of epitaxial QDs is formed,successive layers tend to form with the QDs in each layer aligned on top of each other[27,28].Theoretical and experimental studies of the properties of QD arrays are currently under way.Major issues are the nature of the electronic states as a function of inter-dot distance,array order vs.disorder,QD orientation and shape,surface states, surface structure=passivation,and surface chemistry. Transport properties of QD arrays are also of critical importance,and they are under investigation.2.2.Quantum dot-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cellsThis conÿguration is a variation of a recent promis-ing new type of photovoltaic cell that is based on dye-sensitization of nanocrystalline TiO2layers [29–31].In this latter PV cell,dye molecules are chemisorbed onto the surface of10–30nm size TiO2 particles that have been sintered into a highly porous nanocrystalline10–20 m TiO2ÿlm.Upon photo-excitation of the dye molecules,electrons are very e ciently injected from the excited state of the dye into the conduction band of the TiO2,a ecting charge separation and producing a photovoltaic e ect.For the QD-sensitized cell,QDs are substituted for the dye molecules;they can be adsorbed from a col-loidal QD solution[32]or produced in situ[33–36]. Successful PV e ects in such cells have been reported for several semiconductor QDs including InP,CdSe, CdS,and PbS[32–36].Possible advantages of QDs over dye molecules are the tunability of optical prop-erties with size and better heterojunction formation with solid hole conductors.Also,as discussed here, a unique potential capability of the QD-sensitized solar cell is the production of quantum yields¿1 by impact ionization(inverse Auger e ect)[37]. Dye molecules cannot undergo this process.E cient inverse Auger e ects in QD-sensitized solar cells could produce much higher conversion e ciencies than are possible with dye-sensitized solar cells.2.3.Quantum dots dispersed in organic semiconductor polymer matricesRecently,photovoltaic e ects have been reported in structures consisting of QDs forming junctions with organic semiconductor polymers.In one conÿgu-ration,a disordered array of CdSe QDs is formed in a hole-conducting polymer—MEH-PPV(poly(2-methoxy,5-(2 -ethyl)-hexyloxy-p-phenylenevinylene) [38].Upon photoexcitation of the QDs,the photogen-erated holes are injected into the MEH-PPV polymer phase,and are collected via an electrical contact to the polymer phase.The electrons remain in the CdSe QDs and are collected through di usion and percola-tion in the nanocrystalline phase to an electrical con-tact to the QD network.Initial results show relatively low conversion e ciencies[38,39]but improve-ments have been reported with rod-like CdSe QD shapes[40]embedded in poly(3-hexylthiophene)(the rod-like shape enhances electron transport through the nanocrystalline QD phase).In another conÿgura-tion[41],a polycrystalline TiO2layer is used as the electron conducting phase,and MEH-PPV is used to conduct the holes;the electron and holes are in-jected into their respective transport mediums upon photoexcitation of the QDs.Avariation of these conÿgurations is to disperse the QDs into a blend of electron and hole-conducting polymers[42].This scheme is the inverse ofA.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120119light-emitting diode structures based on QDs [43–47].In the PV cell,each type of carrier-trans-porting polymer would have a selective electrical contact to remove the respective charge carriers.A critical factor for success is to prevent electron–hole recombination at the interfaces of the two-polymer blends;prevention of electron–hole recombination is also critical for the other QD conÿgurations mentioned above.All of the possible QD-organic polymer photo-voltaic cell conÿgurations would beneÿt greatly if the QDs can be coaxed into producing multiple electron–hole pairs by the inverse Auger=impact ionization process[37].This is also true for all the QD solar cell systems described above.The most important pro-cess in all the QD solar cells for reaching very high conversion e ciency is the multiple electron–hole pair production in the photoexcited QDs;the various cell conÿgurations simply represent di erent modes of collecting and transporting the photogenerated carriers produced in the QDs.AcknowledgementsThis work is supported by the U.S.Department of Energy,O ce of Science,O ce of Basic Energy Sciences,Division of Chemical Sciences and the Photovoltaics Program of the O ce of Energy E ciency and Renewable Energy.References[1]W.Shockley,H.J.Queisser,J.Appl.Phys.32(1961)510.[2]R.T.Ross,J.Chem.Phys.45(1966)1.[3]R.T.Ross,J.Chem.Phys.46(1967)4590.[4]M.A.Green,Third Generation Photovoltaics,Bridge Printery,Sydney,2001.[5]M.A.Green,Solar Cells,Prentice-Hall,Englewood Cli s,NJ,1982.[6]A.J.Nozik,Annu.Rev.Phys.Chem.52(2001)193.[7]R.T.Ross,A.J.Nozik,J.Appl.Phys.53(1982)3813.[8]D.S.Boudreaux,F.Williams,A.J.Nozik,J.Appl.Phys.51(1980)2158.[9]ndsberg,H.Nussbaumer,G.Willeke,J.Appl.Phys.74(1993)1451.[10]S.Kolodinski,J.H.Werner,T.Wittchen,H.J.Queisser,Appl.Phys.Lett.63(1993)2405.[11]A.Luque,A.Marti,Phys.Rev.Lett.78(1997)5014.[12]A.J.Nozik,D.S.Boudreaux,R.R.Chance,F.Williams,in:M.Wrighton(Ed.),Advances in Chemistry,Vol.184,ACS, New York,1980,p.162.[13]F.E.Williams,A.J.Nozik,Nature311(1984)21.[14]A.J.Nozik,Philos.Trans.R.Soc.London.Ser.A A295(1980)453.[15]W.S.Pelouch,R.J.Ellingson,P.E.Powers,C.L.Tang,D.M.Szmyd,A.J.Nozik,Phys.Rev.B45(1992)1450.[16]W.S.Pelouch,R.J.Ellingson,P.E.Powers, C.L.Tang,D.M.Szmyd,A.J.Nozik,Semicond.Sci.Technol.7(1992)B337.[17]Y.Rosenwaks,M.C.Hanna, D.H.Levi, D.M.Szmyd,R.K.Ahrenkiel, A.J.Nozik,Phys.Rev.B48(1993) 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tzel,Prog.Photovoltaics8(2000)171.[32]A.Zaban,O.I.Micic,B.A.Gregg,A.J.Nozik,Langmuir14(1998)3153.[33]R.Vogel,H.Weller,J.Phys.Chem.98(1994)3183.[34]H.Weller,Ber.Bunsen-Ges.Phys.Chem.95(1991)1361.[35]D.Liu,P.V.Kamat,J.Phys.Chem.97(1993)10769.[36]P.Hoyer,R.K o nenkamp,Appl.Phys.Lett.66(1995)349.[37]A.J.Nozik,unpublished manuscript,1997.[38]N.C.Greenham,X.Poeng,A.P.Alivisatos,Phys.Rev.B54(1996)17628.[39]N.C.Greenham,X.Peng,A.P.Alivisatos,in:R.McConnell(Ed.),Future Generation Photovoltaic Technologies:First NREL Conference,American Institute of Physics,1997, p.295.[40]W.U.Huynh,X.Peng,P.Alivisatos,Adv.Mater.11(1999)923.[41]A.C.Arango,S.A.Carter,P.J.Brock,Appl.Phys.Lett.74(1999)1698.[42]A.J.Nozik,G.Rumbles, D.C.Selmarten,unpublishedmanuscript,2000.120 A.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120[43]B.O.Dabbousi,M.G.Bawendi,O.Onitsuka,M.F.Rubner,Appl.Phys.Lett.66(1995)1316.[44]V.Colvin,M.Schlamp,A.P.Alivisatos,Nature370(1994)354.[45]M.C.Schlamp,X.Peng,A.P.Alivisatos,J.Appl.Phys.82(1997)5837.[46]H.Mattoussi,L.H.Radzilowski,B.O.Dabbousi,D.E.Fogg,R.R.Schrock,E.L.Thomas,M.F.Rubner,M.G.Bawendi,J.Appl.Phys.86(1999)4390.[47]H.Mattoussi,L.H.Radzilowski, B.O.Dabbousi, E.L.Thomas,M.G.Bawendi,M.F.Rubner,J.Appl.Phys.83 (1998)7965.。
量子点材料在太阳能电池中的应用
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量子点材料在太阳能电池中的应用量子点材料是一种具有优异光电性能的新型材料,在太阳能电池中的应用前景十分广阔。
量子点材料具有粒径在几纳米至几十纳米之间,晶体结构特殊,表面的物理和化学性质都发生了显著变化,呈现出很多独特的光电性质。
由于其材料具有可调节波长、高吸光度、高光电转换效率等优点,量子点材料在太阳能电池中的应用引起了广泛的关注。
一、量子点材料在太阳能电池中的原理太阳能电池的核心是光电转换效应。
当太阳光照射在太阳能电池材料表面时,光子与材料原子发生作用,产生电荷。
在普通太阳能电池中,电荷对会被吸收并传导到电子云层,而在量子点太阳能电池中,电荷对的产生和传导的效率要比普通太阳能电池高,这是由于量子点材料的光电性质特殊。
量子点太阳能电池中,太阳光照射在量子点材料表面,通过光电转换,产生电荷对,激发量子点材料内部电子和空穴的激子效应,使电子从价带跳到导带,实现太阳能光电转换。
量子点材料的表面能级、大小和表面上生长的有序晶格结构对光电转换效率都有重要影响。
二、量子点材料在太阳能电池中的优点1. 能量利用率高与普通太阳能电池相比,量子点太阳能电池具有更高的能量利用率。
这是由于量子点材料的能带结构特殊,可以促进光电转换效率。
2. 光吸收强度高量子点材料具有更高的光吸收强度,具有更多的电子和空穴,因此可以产生更多的电荷。
3. 谱段可调性强在太阳能光谱中,总辐射包括紫外线、可见光和红外线。
由于不同谱段光的波长和能量不同,传统的太阳能电池只能利用可见光谱段。
而量子点材料则能够利用多种谱段的光,这样就能提高太阳能电池的能量利用效率。
4. 光稳定性强对于像太阳能电池这样长期暴露在阳光下的器件来说,光稳定性是个十分重要的指标。
量子点材料的光稳定性非常好,即使长时间受到高亮度和高温环境的照射,量子点材料也不会发生明显的损失,这样可以提高太阳能电池的使用寿命。
三、量子点材料在太阳能电池中的应用前景量子点材料在太阳能电池中的应用前景非常广阔。
量子点太阳能电池简介
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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。
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Physica E14(2002)115–120/locate/physeQuantum dot solar cellsA.J.Nozik∗National Renewable Energy Laboratory,Center for Basic Sciences,1617Cole Boulevard,Golden,CO80401,USAAbstractQuantum 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 conÿgurations 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 conÿgurations 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 limits1.IntroductionThe 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@(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 absorption1386-9477/02/$-see front matter?2002Elsevier Science B.V.All rights reserved. PII:S1386-9477(02)00374-0116 A.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120can be as high as3000K with the lattice temperature at300K.The division of this kinetic energy between electrons and holes is determined by their e ective masses,with the carrier having the lower e ective mass receiving more of the excess energy[6]. Amajor factor limiting the conversion e ciency in single band gap cells to31%is that the absorbed photon energy above the semiconductor band gap is lost as heat through electron–phonon scattering and subsequent phonon emission,as the carriers relax to their respective band edges(bottom of conduction band for electrons and top of valence for holes).The main approach to reduce this loss in e ciency has been to use a stack of cascaded multiple p–n junctions with band gaps better matched to the solar spectrum; in this way higher-energy photons are absorbed in the higher-band-gap semiconductors and lower-energy photons in the lower-band-gap semiconductors,thus reducing the overall heat loss due to carrier relaxation via phonon emission.In the limit of an inÿnite stack of band gaps perfectly matched to the solar spectrum, the ultimate conversion e ciency at one sun intensity can increase to about66%.Another approach to increasing the conversion e ciency of photovoltaic cells by reducing the loss caused by the thermal relaxation of photogenerated hot electrons and holes is to utilize the hot carriers before they relax to the band edge via phonon emis-sion[6].There are two fundamental ways to utilize the hot carriers for enhancing the e ciency of photon conversion.One way produces an enhanced photo-voltage,and the other way produces an enhanced photocurrent.The former requires that the carriers be extracted from the photoconverter before they cool [7,8],while the latter requires the energetic hot car-riers to produce a second(or more)electron–hole pair through impact ionization[9,10]—a process that is the inverse of an Auger process whereby two electron–hole pairs recombine to produce a sin-gle highly-energetic electron–hole pair.In order to achieve the former,the rates of photogenerated carrier separation,transport,and interfacial transfer across the contacts to the semiconductor must all be fast compared to the rate of carrier cooling[8,12–14]. The latter requires that the rate of impact ionization (i.e.inverse Auger e ect)be greater than the rate of carrier cooling and other relaxation processes for hot carriers.Hot electrons and hot holes generally cool at dif-ferent rates because they generally have di erent e ective masses;for most inorganic semiconductors, electrons have e ective masses that are signiÿcantly lighter than holes and consequently cool more slowly. Another important factor is that hot carrier cooling rates are dependent upon the density of the photogen-erated hot carriers(viz.,the absorbed light intensity) [15–17].Here,most of the dynamical e ects we will discuss are dominated by electrons rather than holes;therefore,we will restrict our discussion pri-marily to the relaxation dynamics of photogenerated electrons.Finally,in recent years it has been proposed [8,12,13,18–21],and experimentally veriÿed in some cases[6],that the relaxation dynamics of photogener-ated carriers may be markedly a ected by quantization e ects in the semiconductor(i.e.,in semiconductor quantum wells,quantum wires,QDs,superlattices, and nanostructures).That is,when the carriers in the semiconductor are conÿned by potential barriers to regions of space that are smaller than or comparable to their deBroglie wavelength or to the Bohr radius of excitons in the semiconductor bulk,the relaxation dynamics can be dramatically altered;speciÿcally the hot carrier cooling rates may be dramatically reduced,and the rate of impact ionization could be-come competitive with the rate of carrier cooling[6] (see Fig.1).Greatly,slowed hot electron cooling in InP QDs has been observed by the research group at NREL[22]. For QDs,one mechanism for breaking the phonon bottleneck that is predicted to slow carrier cooling in QDs and hence allow fast cooling is an Auger process. Here a hot electron can give its excess kinetic energy to a thermalized hole via an Auger process,and then the hole can then cool quickly because of its higher e ective mass and more closely spaced quantized states.However,if the hole is removed from the QD core by a fast hole trap at the surface,then the Auger process is blocked and the phonon bottleneck e ect can occur,thus leading to slow electron cooling.This e ect wasÿrst shown for CdSe QDs[23,24];it has now also been shown for InP QDs,where a fast hole trapping species(Na biphenyl)was found to slow the electron cooling to about7ps[22].This is to be compared to the electron cooling time of0:3ps for passivated InP QDs without a hole trap present andA.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120117Fig.1.Enhanced photovoltaic e ciency in QD solar cells by impact ionization(inverse Auger e ect).thus where the holes are in the QD core and able to undergo an Auger process with the electrons[22].2.Quantum dot solar cell conÿgurationsThe two fundamental pathways for enhancing the conversion e ciency(increased photovoltage[7,8]or increased photocurrent[9,10]can be accessed,in prin-ciple,in three di erent QD solar cell conÿgurations; these conÿgurations are shown in Fig.2and they are described below.However,it is emphasized that these potential high-e ciency conÿgurations are specula-tive and there is no experimental evidence yet that demonstrates actual enhanced conversion e ciencies in any of these systems.2.1.Quantum dot arrays in p–i–n cellsIn this conÿguration,the QDs are formed into an ordered3-D array with inter-QD spacing su ciently small such that strong electronic coupling occurs and minibands are formed to allow long-range electron transport;the QD array is placed in the intrinsicregion Fig.2.Conÿgurations for QD solar cells.(a)a QD array used as a photoelectrode for a photoelectrochemical or as the i-region of a p–i–n photovoltaic cell;(b)QDs used to sensitize a nanocrys-tallineÿlm of a wide band gap oxide semiconductor(viz.,TiO2)to visible light.This conÿguration is analogous to the dye-sensitized solar cell where the dye is replaced by QDs;(c)QDs dispersed in a blend of electron-and hole-conducting polymers.In conÿgu-rations(a),(b)and(c),the occurrence of impact ionization could produce higher photocurrents and higher conversion e ciency.In (a),enhanced e ciency could be achieved either through impact ionization or hot carrier transport through the minibands of the QD array resulting in a higher photopotential.118 A.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120of a p+–i–n+structure(see Fig.2a).The QD array is a3-D analog to a1-D superlattice and the miniband structures formed therein[6].The delocalized quan-tized3-D miniband states could be expected to slow the carrier cooling and permit the transport and col-lection of hot carriers at the respective p and n con-tacts to produce a higher photopotential in a PV cell or in a photoelectrochemical cell where the3-D QD array is the photoelectrode[25].Also,impact ioniza-tion might be expected to occur in the QD arrays, enhancing the photocurrent(see Fig.1).However, hot electron transport=collection and impact ionization cannot occur simultaneously;they are mutually exclu-sive and only one of these processes can be present in a given system.Signiÿcant progress has been made in forming3-D arrays of both colloidal[26]and epitaxial[27]II–VI and III–V QDs.The former have been formed via evaporation and crystallization of colloidal QD solutions containing a uniform QD size distribution; crystallization of QD solids from broader size distribu-tions lead to close-packed QD solids,but with a high degree of disorder.Concerning the latter,arrays of epitaxial QDs have been formed by successive epi-taxial deposition of epitaxial QD layers;after theÿrst layer of epitaxial QDs is formed,successive layers tend to form with the QDs in each layer aligned on top of each other[27,28].Theoretical and experimental studies of the properties of QD arrays are currently under way.Major issues are the nature of the electronic states as a function of inter-dot distance,array order vs.disorder,QD orientation and shape,surface states, surface structure=passivation,and surface chemistry. Transport properties of QD arrays are also of critical importance,and they are under investigation.2.2.Quantum dot-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cellsThis conÿguration is a variation of a recent promis-ing new type of photovoltaic cell that is based on dye-sensitization of nanocrystalline TiO2layers [29–31].In this latter PV cell,dye molecules are chemisorbed onto the surface of10–30nm size TiO2 particles that have been sintered into a highly porous nanocrystalline10–20 m TiO2ÿlm.Upon photo-excitation of the dye molecules,electrons are very e ciently injected from the excited state of the dye into the conduction band of the TiO2,a ecting charge separation and producing a photovoltaic e ect.For the QD-sensitized cell,QDs are substituted for the dye molecules;they can be adsorbed from a col-loidal QD solution[32]or produced in situ[33–36]. Successful PV e ects in such cells have been reported for several semiconductor QDs including InP,CdSe, CdS,and PbS[32–36].Possible advantages of QDs over dye molecules are the tunability of optical prop-erties with size and better heterojunction formation with solid hole conductors.Also,as discussed here, a unique potential capability of the QD-sensitized solar cell is the production of quantum yields¿1 by impact ionization(inverse Auger e ect)[37]. Dye molecules cannot undergo this process.E cient inverse Auger e ects in QD-sensitized solar cells could produce much higher conversion e ciencies than are possible with dye-sensitized solar cells.2.3.Quantum dots dispersed in organic semiconductor polymer matricesRecently,photovoltaic e ects have been reported in structures consisting of QDs forming junctions with organic semiconductor polymers.In one conÿgu-ration,a disordered array of CdSe QDs is formed in a hole-conducting polymer—MEH-PPV(poly(2-methoxy,5-(2 -ethyl)-hexyloxy-p-phenylenevinylene) [38].Upon photoexcitation of the QDs,the photogen-erated holes are injected into the MEH-PPV polymer phase,and are collected via an electrical contact to the polymer phase.The electrons remain in the CdSe QDs and are collected through di usion and percola-tion in the nanocrystalline phase to an electrical con-tact to the QD network.Initial results show relatively low conversion e ciencies[38,39]but improve-ments have been reported with rod-like CdSe QD shapes[40]embedded in poly(3-hexylthiophene)(the rod-like shape enhances electron transport through the nanocrystalline QD phase).In another conÿgura-tion[41],a polycrystalline TiO2layer is used as the electron conducting phase,and MEH-PPV is used to conduct the holes;the electron and holes are in-jected into their respective transport mediums upon photoexcitation of the QDs.Avariation of these conÿgurations is to disperse the QDs into a blend of electron and hole-conducting polymers[42].This scheme is the inverse ofA.J.Nozik/Physica E14(2002)115–120119light-emitting diode structures based on QDs [43–47].In the PV cell,each type of carrier-trans-porting polymer would have a selective electrical contact to remove the respective charge carriers.A critical factor for success is to prevent electron–hole recombination at the interfaces of the two-polymer blends;prevention of electron–hole recombination is also critical for the other QD conÿgurations mentioned above.All of the possible QD-organic polymer photo-voltaic cell conÿgurations would beneÿt greatly if the QDs can be coaxed into producing multiple electron–hole pairs by the inverse Auger=impact ionization process[37].This is also true for all the QD solar cell systems described above.The most important pro-cess in all the QD solar cells for reaching very high conversion e ciency is the multiple electron–hole pair production in the photoexcited QDs;the various cell conÿgurations simply represent di erent modes of collecting and transporting the photogenerated carriers produced in the QDs.AcknowledgementsThis work is supported by the U.S.Department of Energy,O ce of Science,O ce of Basic Energy Sciences,Division of Chemical Sciences and the Photovoltaics Program of the O ce of Energy E ciency and Renewable Energy.References[1]W.Shockley,H.J.Queisser,J.Appl.Phys.32(1961)510.[2]R.T.Ross,J.Chem.Phys.45(1966)1.[3]R.T.Ross,J.Chem.Phys.46(1967)4590.[4]M.A.Green,Third Generation Photovoltaics,Bridge 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