文 献 综 述

薄膜太阳能电池（Thin film solar cell）最大特点是其光吸收和电荷分离传输是分别由不同的物质完成的，光吸收是靠吸附在纳米半导体表面的染料来完成，半导体仅起电荷分离和传输载体的作用。薄膜太阳能电池的最大优势是电荷传输是靠多数载流子来实现电荷传导，不存在传统p-n结太阳电池中少数载流子和电荷传输材料表面复合等问题，因而其制备过程简单，对环境要求不高。

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。 量子点中间带太阳能电池 太阳能电池的机理 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#8212;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 [2] 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。 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。 量子点太阳能电池研究内容介绍

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 [3] 体如 TiO2、ZnO 和 SnO2 等阳极材料上使其达到敏化效果 。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#8212;TiO2 太阳能敏化电池。 图 2， 量子点敏化太阳能电池示意图 量子点太阳能电池材料及其 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 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。 [6] Sugaya 等人 用间断沉积法制备了 InGaAs 量子点太阳能电池。 [5] 量子点太阳能电池器件及其 器件及其结构研究 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 [7] 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。 Seth [8] Hubbard 和 Ryne Raffaelle 为了提高太阳能电池的转换效率， 2010 年构造了 InAs/GaAs 在 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

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#8212;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。

参考文献:

1、张鹏飞.2009.《光伏发电自动跟踪系统的设计》[D]. 哈尔滨.哈尔滨理工大学

2、李建忠，尹志新，秦嵩. 2009.3.4.《太阳能光伏发电应用研究进展综述》[J]. 广西.广西大学学报（自然科学版）（z1）.192#8212;202.

3、龚华. 2009. 《太阳能光伏发电在上海电网中的运用与展望》[A]. 《上海市电气工程设计研究会2009年学术年会论文集》［C］.上海.上海市电气工程设计研究会.27#8212;30