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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。
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
在一般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的基本问题中，最关键的是光的有效吸收问题。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(不同带隙主要吸收与能隙宽度相近能量的光子，避免高能量的光子被窄能带先吸收)，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。上述要求在实验上是不容易满足的，因此寻找满足上述要求的中间带材料是实现高效中间带太阳能电池的关键之一。
2 量子点太阳能电池研究内容介绍
2.1 量子点敏化太阳能电池
量子点敏化太阳能电池，是以染料敏化太阳能电池(DSSC)为基础构造的，两者的工作原理相似，只是前者选择窄带隙半导体量子点替代有机染料分子作为光敏剂连接到宽带隙半导体如TiO2、ZnO和SnO2等阳极材料上使其达到敏化效果[3]。量子点敏化太阳能电池包括导电玻璃、光阳极、光敏剂、电解质和对电极5个部分。其中光阳极即是量子点附着和光生电子注入的载体，一般是具有长电子扩散长度的宽禁带半导体制成的多孔电极。目前，光阳极材料的研究主要集中在TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5和In2O3等二元半导体氧化物上。对光阳极的形貌和成分调控是提高量子点敏化太阳能电池效率的一种途径，也是研究的热点和重点。
量子点敏化太阳能电池研究很多。文献[4]综述了光分解沉积法简单工艺制备金属硫化物量子点—TiO2太阳能敏化电池。

图2， 量子点敏化太阳能电池示意图
2.2 量子点太阳能电池材料及其机理研究
许多科研实验设计不同材料不同结构的量子点太阳能电池，证明了量子点的多激子产生、中间带效应会提高量子点太阳能电池电流密度和转换效率。常见的量子点材料有InAs/InGaAs，InAs/GaAs。有研究者证明Sb调节生长方式是一种构造超高密度量子点结构太阳能电池的可行行为。
为了核实在高聚光条件下量子点太阳能电池吸收光谱的提高，美国国家可再生能源实验室研究了在高强度照射下比较了有20层量子点的太阳能电池和常规GaAs电池的短路电流和光电转换效率，如图3所示，提高是很明显的。

图3 功率效率和短路电流密度的对比
Zusing Yang等[5]制备了CdHgTe和CdTe量子点太阳能电池，具有优良的光电转换效率。Sugaya等人[6]用间断沉积法制备了InGaAs量子点太阳能电池。
2.3 量子点太阳能电池器件及其结构研究
目前量子点太阳能电池结构常用的是P-i-n结构，最早应用于非晶Si太阳能电池，其主要目的是利用p-n结自建电场对i层光生载流子所产生的漂移作用提高收集效率。[7] Seth Hubbard 和Ryne Raffaelle[8]为了提高太阳能电池的转换效率，在2010年构造了InAs/GaAs 量子点提高太阳能电池，并证实了增加量子点的层数能提高量子点太阳能电池的外量子效率，也会影响电池的转换效率。他们将InAs量子点嵌入到GaAs的p-i-n 太阳能电池的中间，如图4所示。

图4， p-i-n 结构量子点太阳能电池
Takata等[9]人利用应变补偿技术在GaAs衬底上生长20、25、100层InAs/GaNAs叠层，构造了量子点中间带太阳能电池，如图5所示。

图5，多层量子点太阳能电池结构
3 小结与展望
量子点太阳能电池有着良好的应用前景，其中量子点敏化太阳能电池距离商业化应用最为接近，但真正意义上的量子点太阳能电池—基于多激子产生效应设计和制作的太阳能电池，还有待深入研究。同其它许多具有应用前景的项目一样，量子点太阳能电池研究领域还有很多工作要做，首先是光电转换机制的研究，然后是材料的制备，还有器件的组装以及成本问题。相信在众多科研人员的努力下，量子点太阳能电池会尽快为解决人类的环境与能源问题作出贡献。

参考文献
[1] 姜礼华, 曾祥斌, 金韦利, 张笑. 硅量子点在太阳能电池中的应用, 激光与光电子学进展, 2010.
[2] E.Canovas, A.Marti, N.Lopez, et al. Thin Solid Films, 516(2008), 6943-6947.
[3] 刘铭，杨君友，冯双龙，朱虎. 量子点敏化太阳能电池研究进展. 功能材料, 2010.
[4] Hiroaki Tada, Musashi Fujishima and Hisayoshi Kobayashi. Photodeposition of metal sulfide quantum dots on titanium(IV) dioxide and the applications to solar energy conversion. Chem.Soc.Rev, 2011.
[5] Zusing Yang, Huan-Tsung Chang. Solar Energy Materials and Solar cells, 94(2010), 2046-2051.
[6] T.sugaya, Y.Kamikawa, S.Furue, T.Amano, M.Mori, S.Niki. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95(2011), 163-166.
[7] 彭英才, 傅广生. 量子点太阳能的探索. 材料研究学报, 23(2009).
[8] 康培, 刘如彬, 王帅, 张启明, 孙强, 穆杰. 量子点太阳能电池研究进展. 电源技术, 135(2011).
[9] A.Takata, R.Oshima, Y.Shoji, et al. Fabrication of 100 Layer-Stacked InAs/GaNAs Strain-Compensated Quantum Dots on GaAs (001) for Application to Intermediate Band Solar Cell. 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. Hawaii, USA:IEEE Piscataway, 2010: 001877-001880.