量子點敏化太陽能電池的最新進展

1、半導體量子點敏化太陽能電半導體量子點敏化太陽能電 池的最新進展池的最新進展 1.發(fā)展太陽能電池的原因 太陽能是解決人類面臨的環(huán)境問題和能源問題的 理想新能源。如果以光電轉(zhuǎn)換效率為 的光 電器件覆蓋的地球表面，就足以滿足目 前全人類的能源需要。 太陽能電池的由來和歷程 1839年，法國的Becgueral首次在化學電池中觀察到了光生伏特效應。 作為一種新的能源，太陽電池在1958年首先被用于太空人造衛(wèi)星和航 天器上；20世紀70年代初，隨著新工藝的開發(fā)和新技術(shù)的引入，太陽 電池的轉(zhuǎn)換效率有了很大提高，制作成本下降，太陽電池開始在地面 上獲得應用；20世紀80年代初，太陽電池研究進入了一個快速發(fā)展

2、期， 社會的需求和技術(shù)的進步是太陽電池的轉(zhuǎn)換效率進一步提高，生產(chǎn)成 本持續(xù)下降，應用領(lǐng)域不斷擴大；20世紀90年代初，人類社會和經(jīng)濟 生活的可持續(xù)發(fā)展，更進一步凸顯了人們開發(fā)的利用太陽能的緊迫性； 尤其是進入21世紀以來，環(huán)境的持續(xù)惡化和能源的嚴重短缺，使人們 對高效率、低成本、長壽命和高穩(wěn)定性太陽電池開發(fā)需求的期望大道 理一個前所未有的高度。 太陽電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)階段的情況 太陽能企業(yè)目前普遍負債較高，在美國上市的十幾家企業(yè) 中，即使是負債率最低的晶澳也有60%，最高的是賽維 LDK，達到了90%。 但是事實上，全球總的光伏需求的增長仍將繼續(xù)，只是市 場的中心將在下半年從歐洲轉(zhuǎn)向亞太地區(qū)。 財政部

3、、科技部、國家能源局于五月初公布了2012年金太 陽示范項目目錄。根據(jù)各地上報的2012年金太陽示范項 目實施方案和專家評審結(jié)果，三部委確定2012金太陽示 范工程總規(guī)模為1709MW。在補助資金方面，2012年用戶 側(cè)光伏發(fā)電項目的補助變準確定為5.5元/瓦。財政部據(jù)此 核定示范項目補助資金按一定比例進行預撥，剩余資金在 項目完工后進行清算。 太陽電池的發(fā)展及優(yōu)缺點 一、第一代太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率較高、穩(wěn)定， 但成本很高。 二、第二代太陽能電池的技術(shù)仍然不 夠成熟，如有機染料敏化電池還存在以下問題： （）現(xiàn)在公認使用效果最好的釕絡(luò)合物的制備 過程比較復雜，且釕金屬價格昂貴； （）有機染料對

4、近紅外光吸收相對較弱； （）染料的長期穩(wěn)定性差； （）染料的激發(fā)態(tài)壽命很短 所以： 染料敏化太陽能電池發(fā)展受到制約的關(guān)鍵難題 就是敏化劑，選擇合適的敏化劑已經(jīng)成為敏化電 池研究的重點。 量子限域效應 什么是量子點 量子限域效應：當電子沿某一方向的運動受到限 制時，電子在該方向的能量就要發(fā)生量子化，這 時在該方向上受到束縛的電子形成駐波。根據(jù)被 束縛方向的數(shù)目，我們可以把材料分為體材料（0 個束縛方向），量子阱（一個束縛方向），量子 線（兩個束縛方向），量子點（三個束縛方向） 能量量子化使材料的電子狀態(tài)密度受到很大的影 響。 量子點作用 例如： 根據(jù)碰撞離化效應，量子點能夠利用熱根據(jù)碰撞離化效應

5、，量子點能夠利用熱 電子使每個光子產(chǎn)生多個電子空穴對。另外它電子使每個光子產(chǎn)生多個電子空穴對。另外它 們還具有較高的消光系數(shù)，能夠有效地降低暗電們還具有較高的消光系數(shù)，能夠有效地降低暗電 流。流。 由此得出的結(jié)論： 因此，半導體量子點是發(fā)展敏化太陽能電池的優(yōu) 秀材料。量子點敏化太陽能電池作為第三代太陽 能電池將對整個光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。 量子點敏化劑 1.量子點（，）是三維尺寸都足夠小的 納米材料，電子的運動在三維上都是量子化的。 2.優(yōu)點： （）量子點敏化劑種類多，來源廣，成本較低廉，制備工藝相對簡 單； （）量子點具有量子限域效應，可通過調(diào)控其粒徑來改變能帶寬度， 拓寬對太陽光譜的吸

6、收范圍； （）充分利用量子點的熱電子以及單光子激發(fā)多光子發(fā)射（多激子 產(chǎn)生）的性能，顯著提高電池的轉(zhuǎn)換效率； （）相對于有機染料，量子點具有非常好的光學穩(wěn)定性； （）量子點敏化劑不存在有機染料敏化劑由于厚度而降低光吸收的 問題。更重要的是，半導體量子點或薄膜的生產(chǎn)比塊體便宜，它們的 合成溫度更低，并且可以采用液相法制備。 缺點 量子點之間容易發(fā)生團聚使其很難在量子點之間容易發(fā)生團聚使其很難在 多孔膜或納米棒表面均勻包覆；很難多孔膜或納米棒表面均勻包覆；很難 尋求一種合適的高效電解液使量子點受到尋求一種合適的高效電解液使量子點受到 較少的腐蝕。較少的腐蝕。 解決方法： 等人報道了一種采用液態(tài) 作

7、為溶劑修飾量子點的方法， 液態(tài)超低的粘稠度和超小的表面張力（潤 濕角）有利于溶解在其中的量子點在多孔 膜中更快擴散，并更好地穿透多孔膜均勻覆蓋于 電極的表面。 燃料敏化太陽電池組成 量子點敏化太陽能電池的電解池是由光 陽極、電解質(zhì)和光陰極組成的“三明治” 結(jié)構(gòu)電池。光陽極主要是在導電襯底材 料上制備一層多孔半導體薄膜，并吸附 一層光敏化劑；光陰極是在導電襯底上 制備一層含鉑或碳等的催化材料。 以為例介紹量子點 敏化電池的工作原理。如圖所示，首 先電解質(zhì)中的吸收光子，使電 子激發(fā)到導帶，同時在價帶產(chǎn)生空穴， 由于量子點的導帶和的導帶能 級非常匹配，所以納米導帶上 產(chǎn)生的電子就會注入到的導帶， 然

8、后傳輸?shù)绞占姌O，另外一極同時發(fā) 生氧化還原反應，將電子重新還原給 納米顆粒，從而完成一個循環(huán)。 其中，光陽極是整個電池的核心，起著 俘獲太陽光子和傳輸電子的作用，通常 是由和有機染料分子組成。 量子點敏化電極的制備 量子點敏化電極的制備可分為兩步：第一步是制備納米電極 這一步可通過多種方法進行，例如水熱法(注釋：水熱反應依據(jù)反應類型的不同可 分為水熱氧化、水熱還原、水熱沉淀、水熱合成、水熱水解、水熱結(jié)晶等。其中水熱結(jié)晶用得最多。 在這里簡單介紹一下它的原理: 水熱結(jié)晶主要是溶解再結(jié)晶機理。首先營養(yǎng)料在水熱介質(zhì)里 溶解,以離子、分子團的形式進入溶液。利用強烈對流(釜內(nèi)上下部分的溫度差而在釜內(nèi)溶

9、液產(chǎn)生) 將 這些離子、分子或離子團被輸運到放有籽晶的生長區(qū)(即低溫區(qū)) 形成過飽和溶液,繼而結(jié)晶。)、 溶膠凝膠法和陽極氧化法等； 第二步是在上修飾半導體量子點： 1.自組裝單層法（ 法） 能夠控制的尺寸，但也存在不易完全覆蓋2整 個表面的缺點。 2.化學浴法（法） 法是指在正?；蛩疅釛l件下進行量子點沉積，即 將電極放入溶解有陽離子和陰離子的溶液中處理， 或交替放入兩種單獨包含陽離子和陰離子的溶液中處 理，以得到量子點。對于后者，又通常稱為依次離 子層吸附和反應法（ 法）。采用 法盡管能夠獲得較高太陽光轉(zhuǎn)化效率的和量 子點敏化電池，然而卻很難得到較高效率的和 敏化電池。 解決方法 等人提出了

10、一種新的 方 法合成量子點，即利用強還原劑 來還原得到 離子，在手套 箱中操作合成量子點。此外，他們通過實驗將 等量子點成功地修飾到電極表面。 常用量子點敏化劑的種類 （，）型量子點敏化劑 （，）型量子點敏化劑 隨著粒徑的變化，的能級也發(fā) 生變化，對太陽光的吸收也隨之改變。當 的粒徑從增加到時，能 帶寬度由降低到，此時電 子從注入到的速度也隨之降低， 光吸收從 增加到。因此如 何協(xié)調(diào)電子的注入速度和充分利用太陽光就成為 敏化電池的研究重點。 量子點敏化劑及其附著的 一維納米陣列的結(jié)構(gòu) 由于量子點敏化劑的光學性質(zhì)有很強的尺寸依賴性，小 的半導體納米粒子吸收高能短波長的光，大的半導體納米 粒子吸收能量較低的長波長的光。若制備的敏化劑粒徑呈 梯度分布，則可充分發(fā)揮量子點敏化劑的寬吸收特性。 寬帶隙半導體的形態(tài)是另外一個制約量子點敏化太陽能電 池性能的因素。若量子點敏化劑沉積在介孔寬帶隙半導體 膜上，光生電子要在半導體粒子間多次跳躍才能到達電極。 若將量子點和垂直生長在導電襯底上的一維納米線或納米 管陣列相結(jié)合，則能有效提高量子點敏化太陽能電池效率。 一維納米陣列把光生電子直接傳輸?shù)诫姌O，可有效避免電 子傳輸時在介孔粒子間的碰撞跳躍。 提高電池性能 提高電池性能主要可以從以下兩方面著手： 1.開發(fā)出沉積量子點的方