量子点敏化太阳能电池研究进展_刘晓光

量子点敏化太阳能电池研究进展

111,2*

刘晓光，吕丽丽，田建军

（北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；中国科学院北京纳米能源与系统研究所，北京 100083）

摘要：半导体量子点（Quantum Dot，简称QD）因其具有多种优异的光电性能而在太阳能转换方面得到了广泛地应用。量子点敏化太阳能电池（Quantum Dot Sensitized Solar Cell，简称QDSC），因其工艺简单、制造成本低和理论光电转换效率高，被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池。本文介绍了QDSC的基本结构和工作原理、QDSC的转换效率及影响因素、QDSC的研究进展等。另外，我们还对量子点敏化太阳能电池的发展进行了展望。

关键词：量子点；太阳能电池；量子点敏化太阳能电池；研究进展

引言

随着世界经济的快速发展，人们对能源的需求量与日俱增，化石能源作为不可再生能源，已无法满足全球的能源消耗。此外，化石能源的大量使用会造成全球变暖和环境污染等问题。因而，寻求可高效利用并且对环境友好的可再生能源是世界各国的共同目标。太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经引起了广泛的关注，被认为是传统能源的最佳替代品。根据所用材料的不同，太阳能

[1]

电池可分为：硅基太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、光电化学太阳能电池、有机太阳能电池和多结太阳能电池等。

量子点，是三维尺寸小于或接近激子波尔半径，具有量子局限效应的准零维纳米粒[2,3]

子。光敏性量子点是一种窄禁带宽度的半

[4][5][6]导体材料，如CdS，CdSe，PbS，

[7]

InAs等，它可通过吸收一个光子能量产生多个激子或电子-空穴对，即多重激子效应（Multiple Exciton Generation，简称ME G），进而形成多重电荷载流子对，以更加有效地利用太阳能。根据美国物理学家

[8] Shockley和Queisser提出的S-Q极限模型，半导体PN结太阳能电池的光电转换效率极限为31%，如单晶硅、多晶硅太阳能电池等均受限于这一模型。然而以QD为光敏剂构筑的量子点敏化太阳能电池，在MEG效应作用下，则能突破S-Q极限效率模型，具有更高

[9,10]

的理论光电转换效率。并且，QDSC制造成本远低于硅基太阳能电池。因此，QDSC被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池，成为世界范围内研究的热点之一。

1 QDSC的基本结构和工作原理

QDSC是由有机染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSC）衍生而来，与之不同的是QDSC采用窄禁带宽度的QD取代DSC中的有机染料分子作为电子激发的敏化剂。与有机染料相比，QD不仅

[11~13]具有MEG效应，而且还具有其它优点：（1）QD光谱吸收范围更广，其带隙可以根据其尺寸大小来调节；（2）QD具有比有机染料分子更大的消光系数和光化学稳定性；（3）QD具有大的固有偶极矩，利于激发态电子-空穴的分离。QDSC的工作原理如图1所示，其电池主要是由导电透明电极

（如FTO）、多孔光阳极（如TiO薄膜）、

量子点敏化剂（QD）、电解质（如多硫化

物）和对电极（如Cu S）组成。在入射光子

的作用下，QD中的电子从价带跃迁到导

带，激发态的电子快速注入到光阳极TiO导

2带中，在FTO玻璃上富集并通过外电路流向

2-对电极，QD中留下的空穴与电解质中

的S

2-2-2-离子发生氧化还原反应，S 离子被氧化成S 离子，S 离子扩散到对电极，得到电子被还原x x 2-成S 离子，构成整个回路。

图1 QDSC 的工作原理示意图

2 QDSC的转换效率及影响因素

量子点敏化太阳能电池的光电转换效率（）是电池的最大输出功率P 与输入光功率max [14]P 的比值：

in in

sc in P FF V I P P ′′==max η（1）

式中，V 为电池的开路电压，取决于光阳极的准费米能级与电解质的氧化还原电势之差；oc I 为电池的短路电流，主要取决于激发电子的数目、电子注入光阳极导带中的数目、电子在sc 光阳极多孔膜中的传输损耗以及在电解质中的传输损耗等；FF 为电池的填充因子。

量子点敏化太阳能电池的另一个重要参数是单色光的光电转换效率（Incident Photon-to-electron Conversion Efficiency ，IPCE ），其描述的是电池吸收不同波长的光时的光电转换效[14]率。从电流产生过程的角度来考虑，IPCE 可以分解成几个因子乘积的形式：

coll

inj LHE IPCE j j l l ′′=)()(（2）

式中，LHE()为光吸收效率，主要取决于量子点的光谱响应范围和光阳极的比表面积。大比

表面积纳米晶半导体薄膜的应用，大大提高了量子点的吸附量，从而提高了LHE 。为电子inj 注入过程的量子产率，并不是所有处于激发态的量子点都可以将电子有效地注入到半导体材料的导带中，有的量子点可能在电子注入过程发生之前就己经失活回到了基态。为电子的coll 收集效率，由于注入的电子可能会与半导体多孔薄膜中的杂质复合，或与电解液中的氧化剂发生氧化还原反应而不能到达导电玻璃表面，因此会影响到整个太阳能电池的光电转换效率。

2.1 光吸收效率

在QDSC 中，量子点就像光捕获天线，起着收集能量的作用，类似于叶绿素和胡萝卜素在自然界光合作用中所起到的作用，量子点对光的吸收效率，直接影响到QDSC 的光电转换效率。QDSC 中使用到的吸光剂主要是Ⅱ-Ⅵ族窄带隙半导体CdS 、CdSe 、CdTe 、PbS 、PbSe 、Cu O 、Cu S 、CuInS 等。为了提高光吸收效率：（1）可以通过对光阳极进行结构设计和表面22改性，以便吸附更多的量子点；（2）研发具有更宽吸收光谱的量子点敏化剂或通过改变量

子点尺寸拓宽其吸收光谱；（3）量子点与量子点（或量子点与染料）共敏化的相关研究。[15,16]另外，大量研究表明，量子点分子层中只有最靠近半导体的单层能够有效地进行电荷转移。如果是多分子层吸附，虽然可以增加量子点对入射光的吸收，但同时也增加了入射光的损耗、阻碍了电子的运输，最终导致电池光电转换效率反而降低。2.2 量子产率

量子点敏化太阳能电池由于具有多重激子效应，所以具有更高的量子产率。[17]Semonin 的研究证实了这一理论：PbSe 量子点沉积在ZnO 薄膜上，在波长小于400nm 时获得了大于100%的量子产率。因此，利用高能光子产生多个激子或在热化反应前捕获热电子可[18][19]显著提高QDSC 的光电转换效率。图2为其原理示意图

。

[19]

图2 QD 的多重激子效应如果有效利用MEG 效应，将在很大程度[20]上提高电池的光电转换效率。然而，尽管MEG 效应早已被证实，但是基于该理论的量子点敏化太阳能电池并未取得重大进展[19]

。主要是因为激发MEG 效应需要很高能量[21]密度的光子。为使MEG 效应得以实现，吸收光子能量的至少大于2E ，实际上要远大g [20]于3E 。

g 2.3电子收集效率

实际上，QDSC 光伏发电过程中还存在[22]

着一些不可避免的暗反应，主要包括：注入到光阳极导带中的电子与QD 中空穴发生复合反应；注入到光阳极导带中的电子与电解质中空穴发生复合反应，如图3所示。为了提高QDSC 的光电转换效率，应尽量避免这些

暗反应的发生。

图3电子注入过程中可能发生的暗反应

注入到光阳极导带中后，电子的扩散传递（时间尺度为毫秒）以及电子与氧化还原电对中氧化物的复合（时间尺度为毫秒）是两个同时存在、相互竞争的过程，直接决定了光生电子的收集效率。，其中

[14]=k /(k +k )coll coll tran tran rec

k ，k 分别为电子传递和复合的一级速率常tran rec 数，要想获得高的电子收集效率，就必须增大k ，减小k 。QD 附着方式、附着厚度以及tran rec QD 尺寸，都会对电子注入速率有很大影响。3 QDSC的研究进展

3.1 光阳极的结构设计

纳米尺度的TiO 、ZnO 、SnO 等宽禁带22半导体氧化物，具有合适的能级结构和光稳定性，被认为是最具有开发潜力的可用做QDSC 光阳极的材料。以TiO 纳米颗粒多孔2薄膜作为光阳极的QDSC 为例，对于高效的[23,24]TiO 膜，应具有更高的孔隙率和比表面2积，以便尽可能吸附更多的量子点。其次，TiO 阳极薄膜最好由排列有序的锐钛矿晶粒2组成，以便提供良好的电子运输能力。同时，TiO 纳米颗粒还应具有适应电子注入的2表面电子结构，以获得更高的量子产率。另外，考虑到QD 的尺寸较大（以CdSe 为例，其尺寸约为5nm ），而有机染料通常只有1nm ，因此对于QDSC 来说，不仅需要光阳极膜提供大的比表面积，更重要的是提供容纳QD 的孔隙。这些孔隙在QD 覆盖后还要留有足够的空间以便于电解质的渗入，电解质与QD 接触紧密才能够有效地还原失去了电子的QD 。

光阳极除了可制成纳米多孔薄膜外，还[25][26][27]可制成纳米线、纳米棒、纳米管等纳[28]米阵列结构。纳米阵列电极材料增加了光子的散射，延长了光子在电极材料中的传输路径，有利于增强光的吸收。另外，纳米阵列电极材料由于具有有序结构，且垂直于电极表面，这样将最大限度的减少电子在电极材料中的传输路径，降低界面复合的机会，如图4所示。日本筑波市材料科学国家实验室的S. Z. Chu 等利用AAO 模板在导电玻璃表[29]面制备纳米线阵列，美国宾夕法尼亚州立大学材料研究实验室的Craig A.，Grimes 等用阳极氧化钛的方法制备了纳米TiO 孔阵列2[30]

，试验结果表明：纳米阵列电极材料有利于提高光电转换效率。

图4电子在纳米阵列电极上的传输过程

3.2 光阳极的表面改性

制约QDSC 光电转换效率的一个重要因素就是光电压过低，这主要是由在电极表面存在的暗电流造成的，对光阳极多孔薄膜进行一些处理可以减少暗电流的发生，提高光电转换效率。对此，研究人员研发了很多改性处理方法，主要包括以下几个[31]方面：表面化学改性、离子掺杂、包覆氧化物薄膜、形貌设计。表1中概括了各种改性方法的作用，为提高电池性能，也可以考虑几种改性方法的共同作用，比如形貌设计和表面化学改性，包覆氧化物薄膜和表面化学改性的共同作用等。

[31]

表1 各种改性方法的作用

[32] ZnO 具有较为合适的能带结构、高的电

子迁移率，并且可制成纳米线、纳米棒、纳米管等多种结构，有望取代TiO 成为新一

代2纳米光阳极材料。但是ZnO 存在较多的表面电荷复合，并且化学稳定性较低，易与电解质发生反应，因此，其性能还是低于以[33,34]TiO 为基的敏化太阳能电池。Tian 等针对

表2 量子点敏化太阳能电池中常用半导体

[32]

材料的能带参数

另一方面，由于量子局限效应

（Quantum Confinement Effect），QD的禁带

[38~40]

宽度（E）随其尺寸的减小而增大。E可

g g

以通过公示E∝1/r求得，其中r代表量子点

图5 (a)通过颗粒尺寸调节PbS能级的示意图；

[32]

(b)PbS尺寸与其E之间的关系

ZnO纳米多孔结构开发了一种钝化处理方

法，其不仅可以增加QDs在光阳极上的分

布，增加比表面积，减少ZnO的表面缺陷，

还可以作为阻挡层抑制电荷复合，延长电子

寿命，显著提高了光电转换效率。

3.3 量子点的优化

用于光敏剂的QD一般遵循两个条件：

（1）具有宽的可见光吸收范围，且在光照

下具有最佳的输出能量；（2）QD的导带位

置在光阳极（TiO、ZnO）导带位置上，以

[32]

便电子的有效注入。表2为QDSC中常用半

导体材料的能带参数。基于此，CdS和

CdSe被认为是理想的光敏剂，它们所构筑

[35]

的太阳能电池的光电转换效率较高。

CdS的带隙为2.4eV，吸收光谱的波长小于

550nm。而CdSe的带隙为1.7eV，光谱吸收范

围（≤700nm）明显大于CdS。但是，

CdSe难以吸附在光阳极颗粒（TiO、ZnO

等）的表面，为此，通常先在光阳极表面吸

附一层CdS，然后再负载CdSe，这样不仅能

增加CdSe的负载量，还极大提高了光子的吸

[36,37]

收。这种CdS/CdSe共敏化作用极大提高

了电池转换效率（>4%），是当前性能最好

的一种QDSC。

[41]

的半径。如图5所示：块体PbS的E为-

4.74eV，低于TiO的-4.21eV，块体PbS导带

中的电子很难传输到TiO导带上。通过减小

PbS量子点的尺寸，可以提高其禁带宽度，

进而导致其导带底部上移，当其位置与

TiO的导带位置相匹配时，PbS导带上的电

子便很容易得传输到TiO的导带上。对于

QD来说，尺寸的减小有利于电子的传输，

但是同时也导致QD只能吸收较高能量的光

子，进而使吸收边蓝移，量子点的吸收范

围变窄，会对电池效率产生负面的影响。

因此，需要优化QD的禁带宽度以与宽禁带

半导体氧化物相匹配并获得较宽的光谱吸

收范围才能获得高效率的电池。

3.4量子点的制备

QDSC 中量子点的制备方法主要有两种：（1）在前驱体溶液中的原位生长法；（2）预合成QD 的自组装法。不过，通过后一种方法制备的电池效率较低，主要是由于QD 不能被充分吸附在光阳极颗粒表面，且[42]吸附量较少。前一种方法又可分为化学浴沉积法（Chemical Bath Deposition ，简称[43]CBD ）和连续离子层吸附反应法（Successive Ion Layer Absorption and [44,45]Reaction ，简称SILAR ），其性能优于自[46]组装法。CBD 法是一种相对简单的方法，此外它还具有其他一些优点，比如较好的附着性、均匀性以及可重复性等。QD 的生长取决于其生长条件，例如沉积时间，溶液的组成和温度，多孔薄膜的形貌等。SILAR 法主要基于在多孔氧化物表面发生的连续离子吸附反应。与化学浴沉积法相比，连续离子交互吸附反应法更利于QD 在阳极颗粒表面上均匀分布。图6为CdS/CdSe 量子点共敏化太阳能电池制备过程。CdS 、CdSe 量子点分别通过SILAR 以及CBD 吸附在TiO 多孔膜表2面。由TiO 多孔膜，CdS/CdSe 量子点，多硫2电解质，以及Cu S 对电极组装而成的电池效2[47]率可达到4.62%。

图6 CdS/CdSe 量子点在TiO 多孔薄膜表面的吸附2[47]

过程及其量子点敏化太阳能电池的I-V

特性曲线4 总结与展望

由于具有较高的消光系数，量子局限效应以及多重激子效应，量子点在太阳能电池研究方面获得了极大的关注。作为下一代太阳能电池具有良好的发展前景。依据其原理及特点，今后的研究工作主要集中在以下几个方面：（1）以量子局限效应为基础，开发新的具有更大吸收光谱范围的半导体量子点；（2）通过降低MEG 效应的阈值使其在转换效率的提高方面发挥更大的作用；（3）改善光阳极的多孔结构以提高QD 的吸附量以及降低电荷的复合。目前，量子点敏化电池处于发展的初期，面临着诸多挑战，但希望在不远的将来取得重大突破，获得实质应用，为能源危机的化解做出一份贡献。致谢

感谢国家自然科学基金（51374029和51174247）、教育部新世纪优秀人才计划（NECT-13-0668）、中央高校基本科研业务费项目（FRF-TP-12-153A ）的资助。参考文献

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Source、Mater. Lett.等学术期刊上发表50余篇的学术性论文；授权发明专利11项；

获得教育部技术发明二等奖1项、中国有色金属工业科学技术二等奖1项、国防科技进步三等奖1项和广东省科学技术三等奖1项。所研制的多种材料及产品已在我国国

有机薄膜太阳能电池的研究进展

有机薄膜太阳能电池的研究进展摘要：围绕提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率，从太阳光吸收效率、激子的分解率、载流子的迁移率和电荷向电极的注入效率4个方面综述了国内外的研究进展，并指出了提高转换效率的研究趋势，展望了有机薄膜太阳能电池的美好前景。关键词：有机薄膜太阳能电池；转换效率 1 前言近年来，有机薄膜太阳能电池的发展尤其引人注目，德国、日本、韩国和美国在这一领域处于领先地位。相比传统的硅基太阳能电池，有机薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、高效率、环境友好、稳定性高的特点，成为最有希望实现民用化光伏的产业，目前的转换效率突破了9%，发展趋势被业界一致看好。 2 有机薄膜太阳能电池的基本原理图1 有机薄膜太阳能电池的基本原理当阳光从阳极层（P型有机半导体）照射时，有机分子吸收光产生激子，激子向电子给体和电子受体的界面移动，在界面处通过光诱导解离分解成自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴各自向电极两端迁移，最后注入到两端电极输向外电路。 3 提高转化效率的研究进展有机薄膜太阳能电池要实现产业化，就需要有较高的转换效率，目前提高转换效率的研究主要集中在以下几方面： 3.1 提高太阳光吸收效率材料对太阳光的吸收效率越高激子的生成效率就越高。有机材料对太阳光的吸收一般在可见光区，大部分材料对太阳光的吸收利用率不超过40 %，提高材料的吸收光谱与太阳光谱的匹配性是提高材料对太阳光吸收效率的有效途径。另外，还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料。利用它们吸收部分太阳能量，再通过激子扩散将其转移给活性材料［1］。将太阳光吸收特性不同的电池单元层积得到级联电池（又称叠层电池），通过底层电池对顶层电池的补充吸收可以增加对太阳光谱的吸收。张馨芳［2］等人研究了有机无机复合体系本体异质结叠层有机太阳能电池，用Ag作为夹层材料来连接上层的本体异质结太阳电池和下层的太阳电池，得到的叠层结构的太

(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。 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

量子点敏化太阳能电池

研究生课程考试小论文课程名称：光伏材料与器件基础论文题目: 量子点敏化太阳能电池的研究论文评分标准论文评语: 成绩: 任课教师: 评阅日期:

目录摘要 (1) Abstract (1) 1 光敏化太阳能电池 (2) 1.1 染料敏化太阳能电池 (2) 1.2 量子点敏化太阳能电池 (2) 2 量子点敏化太阳能电池的研究背景 (3) 2.1 量子点敏化太阳能电池的结构 (3) 2.1.1 透明导电玻璃 (3) 2.1.2 光电极 (3) 2.1.3 量子点光敏剂 (4) 2.1.4 电解质 (4) 2.1.5 对电极 (5) 2.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理 (5) 2.3 量子点敏化太阳能电池的优势 (6) 2.3.1 量子限制效应 (6) 2.3.2 碰撞离化效应与俄歇复合效应 (7) 2.3.3 小带效应 (7) 2.4 量子点敏化太阳能电池的发展现状 (8) 2.5 量子点敏化电极的制备方法 (9) 3 量子点敏化太阳能电池的性能改善 (9) 3.1 量子点敏化太阳能电池研究进展中出现的问题[31] (9) 3.2 提升量子点敏化太阳能电池性能的方法 (10) 3.2.1 防护层处理 (10) 3.2.2 掺杂 (10) 3.2.3 共敏化 (10) 结论 (11) 参考文献 (12)

量子点敏化太阳能电池的研究摘要：量子点敏化太阳能电池是兼具低成本和高理论转化效率的第三代太阳能电池。量子点敏化太阳能电池发展至今，其效率已经突破了5%，但是与染料敏化电池12%的效率相比还是存在着较大的距离。通过阅读这方面的相关文献，阐述了量子点敏化太阳能电池的结构（TCO、光电极、光敏化剂、电解质和对电极）、工作原理、优势、电极的几种制备方法及发展现状。从电荷复合、量子点的光捕获、光阳极的结构、电解质和对电极5个方面分析了量子点敏化电池效率低下的原因。同时，从方法的角度出发，介绍了防护层处理，掺杂和共敏化三种方法对量子点敏化太阳能电池性能的提升作用。关键字：量子点敏化、太阳能电池、进展、性能提升 Abstract：Quantum dot-sensitized solar cells are regarded as a potential low-cost and high-efficiency photovoltaic cell as the third generation solar cell.The efficiency of the quantum dot-sensitized solar cells have broken through 5% up to now. But there is a large distance between the efficiency of the quantum dot-sensitized solar cell with that of the dye sensitization solar cell which is 12% . By reading the literature, and expounds the structure (TCO, light electrode, photosensitive agent, electrolyte and the electrode), working principle, advantages , several kinds of preparation methods and the current situation of the quantum dot-sensitized solar cell.Five aspects which are charge recombination, light harvesting, the structure of photoanode, the electrolyte were put forward as the reasons for the low efficiency of the quantum dot-sensitized solar cells. At the same time,from a methodological point of view,three methods that improved the performance of QDSSC as the protective layer processing,doping and cosensitization were introduced. Key words: Quantum dot-sensitized、Solar cell、Progress、Performance improvement

量子点敏化太阳能电池研究进展_刘晓光

量子点敏化太阳能电池研究进展 111,2* 刘晓光，吕丽丽，田建军 12 （北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；中国科学院北京纳米能源与系统研究所，北京 100083）摘要：半导体量子点（Quantum Dot，简称QD）因其具有多种优异的光电性能而在太阳能转换方面得到了广泛地应用。量子点敏化太阳能电池（Quantum Dot Sensitized Solar Cell，简称QDSC），因其工艺简单、制造成本低和理论光电转换效率高，被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池。本文介绍了QDSC的基本结构和工作原理、QDSC的转换效率及影响因素、QDSC的研究进展等。另外，我们还对量子点敏化太阳能电池的发展进行了展望。关键词：量子点；太阳能电池；量子点敏化太阳能电池；研究进展引言随着世界经济的快速发展，人们对能源的需求量与日俱增，化石能源作为不可再生能源，已无法满足全球的能源消耗。此外，化石能源的大量使用会造成全球变暖和环境污染等问题。因而，寻求可高效利用并且对环境友好的可再生能源是世界各国的共同目标。太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经引起了广泛的关注，被认为是传统能源的最佳替代品。根据所用材料的不同，太阳能 [1] 电池可分为：硅基太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、光电化学太阳能电池、有机太阳能电池和多结太阳能电池等。量子点，是三维尺寸小于或接近激子波尔半径，具有量子局限效应的准零维纳米粒[2,3] 子。光敏性量子点是一种窄禁带宽度的半 [4][5][6]导体材料，如CdS，CdSe，PbS， [7] InAs等，它可通过吸收一个光子能量产生多个激子或电子-空穴对，即多重激子效应（Multiple Exciton Generation，简称ME G），进而形成多重电荷载流子对，以更加有效地利用太阳能。根据美国物理学家 [8] Shockley和Queisser提出的S-Q极限模型，半导体PN结太阳能电池的光电转换效率极限为31%，如单晶硅、多晶硅太阳能电池等均受限于这一模型。然而以QD为光敏剂构筑的量子点敏化太阳能电池，在MEG效应作用下，则能突破S-Q极限效率模型，具有更高 [9,10] 的理论光电转换效率。并且，QDSC制造成本远低于硅基太阳能电池。因此，QDSC被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池，成为世界范围内研究的热点之一。 1 QDSC的基本结构和工作原理 QDSC是由有机染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSC）衍生而来，与之不同的是QDSC采用窄禁带宽度的QD取代DSC中的有机染料分子作为电子激发的敏化剂。与有机染料相比，QD不仅 [11~13]具有MEG效应，而且还具有其它优点：（1）QD光谱吸收范围更广，其带隙可以根据其尺寸大小来调节；（2）QD具有比有机染料分子更大的消光系数和光化学稳定性；（3）QD具有大的固有偶极矩，利于激发态电子-空穴的分离。QDSC的工作原理如图1所示，其电池主要是由导电透明电极（如FTO）、多孔光阳极（如TiO薄膜）、 2 量子点敏化剂（QD）、电解质（如多硫化物）和对电极（如Cu S）组成。在入射光子 2 的作用下，QD中的电子从价带跃迁到导带，激发态的电子快速注入到光阳极TiO导 2带中，在FTO玻璃上富集并通过外电路流向 2-对电极，QD中留下的空穴与电解质中的S

有机太阳能电池研究进展(1)

专题介绍有机太阳能电池研究进展 X 林　鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王　丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘　要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前　言进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或第24卷第1期2004年3月光　电　子　技　术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 　 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林　鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。

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

量子点太阳能电池

量子点太阳能电池摘要：量子点太阳能电池属于第三代太阳电池，优异的特性使其保持器件性能的同时能大幅降低太阳能电池的制造成本，因而已成为当前的前沿和热点课题之一。本文就量子点太阳能电池的基本原理，发展历史以及性能优化方案做了简单介绍，并对量子点敏化太阳能电池的发展做了阐述。关键词：太阳能电池、量子点、性能优化、敏化太阳能电池是很有前景的可再生能源，有望解决日益加剧的能源危机。一般来讲，太阳能电池基本上是一种大面积的不施加偏压的pn结器件。当太阳光照射这种pn结器件时光能便转化为电能。太阳能电池的主要参数包括短路电流（J SC)、开路电压（V OC)、填充因子（Fill Factor，FF)、量子效率（Quantum Efficiency)、串联电阻（R S）和并联电阻（R Sh)等。光能转化为电能的过程简单来讲大体包括载流子的光产生、载流子分离和载流子输运等三个主要阶段。当一个光子碰撞太阳能电池有源层时，若光子能量小于有源层材料的禁带宽度时，光子从太阳能电池有源层中透射而过；当光子能量等于或大于有源层材料的禁带宽度时，光子被太阳能电池的有源层吸收，多余的能量将会转化为热能。在太阳能电池中，载流子的分离存在两种主要方式：(1)载流子在电池内建电场作用下的漂移运动；(2)载流子在电池中由于浓度梯度的存在

而产生的扩散运动。在较厚的太阳能电池中由于在有源区不存在电场，载流子的主要分离方式是扩散，从而对于这些电池来说少数载流子的扩散长度必须要能与电池厚度相当。在较薄的电池中，由于缺陷的大量存在少数载流子的扩散长度通常很短，因此载流子的主要分离方式是在内建电场作用下的漂移运动。太阳能电池的n型半导体端和P型半导体端通过金属-半导体欧姆接触的方式形成两端电极，电极与外部负载相连。在电子-空穴分离后，如果载流子还未到达两端电极，它们将主要通过扩散的方式在中性区运动。n型半导体端自身所产生的电子以及通过半导体"结"收集的电子会通过n端电极、外部导线、负载到达P端金属-半导体接触电极，然后与P端空穴复合。太阳能电池的研发经历了三个阶段，目前正从第一代基于硅片技术的第一代太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池过渡。但第二代太阳能电池效率较低，稳定性也比较差。因此第三代太阳能电池应运而生。第三代太阳能电池是太阳能电池技术发展的前沿领域，现在仍处于研究发展阶段。大体上来讲，第三代太阳能电池包含除了第一和第二代电池之外的所有太阳能电池技术，主要有有机半导体（聚合物或小分子）太阳能电池、量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机/无机杂化太阳能电池、双结/多结太阳能电池、中间带太阳能电池和热载流子太阳能电池等，这些电池分类之间既彼此独立又互有重叠。第三代太阳能电池有望实现光电转换效率比第一代太阳能电池高的同时，保持第二代太阳能电池的低成本优势。

量子点太阳能电池---原理,技术最新介绍

Physica E14(2002)115– 120 https://www.360docs.net/doc/5810236855.html,/locate/physe Quantum dot solar cells A.J.Nozik? National Renewable Energy Laboratory,Center for Basic Sciences,1617Cole Boulevard,Golden,CO80401,USA Abstract Quantum 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 con?gurations 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 con?gurations 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 limits 1.Introduction The 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@https://www.360docs.net/doc/5810236855.html,(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 absorption 1386-9477/02/$-see front matter?2002Elsevier Science B.V.All rights reserved. PII:S1386-9477(02)00374-0

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

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篇一：量子点太阳能电池量子点太阳能电池摘要：量子点太阳能电池属于第三代太阳电池，优异的特性使其保持器件性能的同时能大幅降低太阳能电池的制造成本，因而已成为当前的前沿和热点课题之一。本文就量子点太阳能电池的基本原理，发展历史以及性能优化方案做了简单介绍，并对量子点敏化太阳能电池的发展做了阐述。关键词：太阳能电池、量子点、性能优化、敏化太阳能电池是很有前景的可再生能源，有望解决日益加剧的能源危机。一般来讲，太阳能电池基本上是一种大面积的不施加偏压的pn结器件。当太阳光照射这种pn结器件时光能便转化为电能。太阳能电池的主要参数包括短路电流（JSC)、开路电压（VOC)、填充因子（Fill Factor，FF)、量子效率（Quantum Efficiency)、串联电阻（RS）和并联电阻（RSh)等。光能转化为电能的过程简单来讲大体包括载流子的光产生、载流子分离和载流子输运等三个主要阶段。当一个光子碰撞太阳能电池有源层时，若光子能量小于有源层材料的

禁带宽度时，光子从太阳能电池有源层中透射而过；当光子能量等于或大于有源层材料的禁带宽度时，光子被太阳能电池的有源层吸收，多余的能量将会转化为热能。在太阳能电池中，载流子的分离存在两种主要方式：(1)载流子在电池内建电场作用下的漂移运动；(2)载流子在电池中由于浓度梯度的存在而产生的扩散运动。在较厚的太阳能电池中由于在有源区不存在电场，载流子的主要分离方式是扩散，从而对于这些电池来说少数载流子的扩散长度必须要能与电池厚度相当。在较薄的电池中，由于缺陷的大量存在少数载流子的扩散长度通常很短，因此载流子的主要分离方式是在内建电场作用下的漂移运动。太阳能电池的n型半导体端和P型半导体端通过金属-半导体欧姆接触的方式形成两端电极，电极与外部负载相连。在电子-空穴分离后，如果载流子还未到达两端电极，它们将主要通过扩散的方式在中性区运动。n 型半导体端自身所产生的电子以及通过半导体"结"收集的电子会通过n端电极、外部导线、负载到达P端金属-半导体接触电极，然后与P端空穴复合。太阳能电池的研发经历了三个阶段，目前正从第一代基于硅片技术的第一代太阳能电池向基于半导体薄膜技术的第二代半导体太阳能电池过渡。但第二代太阳能电池效率

量子点敏化太阳能电池研究进展文档解析

量子点敏化太阳能电池研究进展摘要：量子点敏化太阳能电池(QDSCs)因其制备成本低、工艺简单及量子点(QDs)本身的优异性能(如尺寸效应、多激子效应)等优点，近年来受到广泛关注。在此类电池中，无机半导体量子点敏化剂作为吸光材料，其自身的光电性质、制备方法、表面缺陷、化学稳定性及其在TiO2光阳极上的敏化方法等是影响电池性能的关键。本文综述了无机半导体量子点敏化剂(包括窄带隙二元量子点、多元合金量子点及Type-II核壳量子点)的最新研究进展，重点介绍了胶体量子点的制备方法；分类阐释了量子点在TiO2光阳极表面的沉积与敏化方法，特别是双官能团辅助自组装吸附法；总结了针对提高电子注入效率和减少复合的量子点表面修饰方法；最后简要介绍了QDSCs的电解质和对电极的研究进展。关键词：量子点敏化太阳能电池；无机半导体量子点；胶体量子点；双官能团辅助自组装；表面修饰 Progress in Quantum Dot-Sensitized Solar Cells Abstrac t: Quantum dot-sensitized solar cells (QDSCs) have attracted much attention in the past few yearsbecause of the advantages of quantum dots (QDs), including low cost, easy fabrication, size-dependence bandgap, and multiple exciton generation (MEG). The properties of QD sensitizers influence the performanceof QDSCs, such as their photoelectric characteristics, preparation methods, surface defects, chemical stability,and their sensitization towards TiO2 photoanodes. This review demonstrates the development of QD sensitizers, including narrow bandgap binary QDs, ternary or quaternary alloyed QDs, and Type-II core-shellQDs, especially the preparation methods of colloidal QDs. Furthermore, the deposition and sensitization methods of QDs are introduced in detail, particularly bifunctional-assisted self-assembly deposition.Meanwhile, methods to improve electron injection efficiency and reduce charge recombination are also summarized. Finally, a brief introduction is provided to the development of electrolytes and counter electrodes in QDSCs. Key Words: Quantum dot-sensitized solar cell;Inorganic semiconductor quantum dot;Colloidalquantum dot; Bifunctional-assisted self assembly; Surface treatment

硅量子点在太阳能电池中的应用_姜礼华

激光与光电子学进展47,082501(2010) Lase r &Opto elec troni c s Pro g res s o C 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 A Application of Silicon Quantum Dots in Solar Cells Jiang 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 a 2Depar 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,China Ab stract The current development situation of silicon quantum dots (QDs)solar cells is described.The mult-i exciton phenomenon generated by the impact ionization due to the quantum c onfinement effect is introduced,and the silicon Q Ds cell design theory is ana lyzed.Meanwhile,several current production proc esses of the silicon quantum dots at present,and the deta iled precipitation process of silicon quantum dots from silicon -rich silicon layers a re presented.Finally,severa l kinds of configurations of t he silic on QDs cells such a s tandem solar cells,PN junction solar cells,and intermediate band -gap solar cells are introduced. Key words optoelectronics;silicon quantum dots;impact ionization;electron -hole pair multiplication;solar cells configuration 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@https://www.360docs.net/doc/5810236855.html, 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 @https://www.360docs.net/doc/5810236855.html,(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

太阳能电池的研究进展

太阳能电池研究进展随着化石能源的逐渐枯竭及其利用过程中所产生的环境恶化，人类迫切需要寻求对环境友好的可再生能源。太阳能是目前最具前景的新型能源，取之不尽，用之不竭，而且太阳能的使用不会对生态环境造成破坏，是一种安全无污染的可再生能源。太阳能的利用成本也很低，并且太阳能的使用不受地里条件的限制。太阳能的利用形式多种多样，比较典型的有光热转换和光电转换。而在太阳能的有效利用中太阳能的光电利用可将太阳能直接转换为电能，被认为是最有效的利用太阳能的方式，也是今年来发展最快，最具活跃的领域[1,2,3]。因此太阳能电池的开发和研制也就日益得到科学家们的重视。制造太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应，根据制造太阳能电池所用的材料的不同，太阳能电池可以分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的无机盐太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。硅是一种良好的半导体材料，储量丰富，是地球上储存量第二大的元素，而且性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。本文主要介绍了硅太阳能电池的种类，研究现状及其应用前景，并探讨了硅太阳能电池的发展趋势。第一代硅太阳能电池 1954年美国贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元[15]，不久后应用于人造卫星，宇宙飞船等航空航天领域。而现在硅太阳能电池占到了整个太阳能电池产量的90%以上，硅太阳能电池是最重要也是技术最成熟的太阳能电池。近年来随着新技术的不断应用，硅太阳能电池的转换效率提高较快。单晶硅太阳能电池在硅太阳能电池的发展初期，由于单晶硅的价格过于昂贵，人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出地面应用太阳能电池市场。但是随着太阳能电池的薄

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非常有前景的低花费的选择对于现存的光伏技术，例如晶体硅和无机薄膜。通过控制它们的尺寸，量子点的吸收光谱能够被调整。而且量子点可以通过低花费的方法来制备。一些纳米材料，比如纳米薄膜，纳米棒，纳米电线，纳米管以及纳米片等具有高的比表面积，氧化还原电解质，固态孔导体，都是借鉴于标准的染料光敏太阳能电池用来制造电子导体，量子点单层和电洞型导体与高光学吸光度连接。这篇文章我们将探讨单一的，多分散的量子点光敏化太阳能电池。本篇将解决稳定性问题，提出涂层方法，对性能加以讨论，重点强调能量水平对于光电转换效率的重要性。把全球温度增加限制在2度以内是21世纪最大的挑战之一，为了阻止目前气候的进一步恶化，发达国家必须大量减少温室气体的排放量，新的工业化国家必须限制二氧化碳的排放。为了实现这个目标，必须提供新的能源来替代煤，石油，天然气燃料，比如风能，水能，生物质能以及太阳能。未来的能源结构将会主要依赖这些清洁能源，你得明白太阳每年提供给地球上植被的能量就是人类日常消耗能量的10000多倍。太阳能可以转换为热能，而这些热能可以直接用来加热食品。通过光学原理利用镜子和透镜可以把太阳光聚集起来获得更高的温度，这使得太阳能可以驱动蒸汽发动机，把热能转换为机械能，随后进行发电。目前主要采用的太阳能发电手段就是采用光伏电池。由于没有移动的部件，所以光伏电池运行维护费用非常低，这也使得它们非常适合在室外长期运行。这几年，光伏市场一直呈指数趋势发展，虽然由于2009年金融危机出现过波动。2008年全球安装的光伏发电系统发电功率达6GW左右，这相当于5到6座的常规火力发电站或者核电站，这现实出光伏发电已经让低功耗离网应用于生态环境。然而光伏发电的电力价格却比传统发电高了很多，也正因为如此，国家发放津贴给光伏工作者，希望通过批量生产来减少光伏系统的花费。因此，未来研发新的光伏电池来提高光电转换效率和降低价格将成为前沿课题。根据它们采用的技术，通常把光伏电池分分为第一，第二，第三代器件。第一代光伏电池是单晶体或者多晶体的p-n结结构的硅电池，也是今天最常见的光伏转换器，大约占据了85%的市场份额。生产基础的晶片单元需要高纯度的硅晶体，高加工温度和大量的原料。第二代光伏电池是建立在薄膜基础上的，它被放置于一个透明导电衬底和一个背部的电极之间，第二代光伏电池目前占据着大约15%的市场份额，它们中的大多数主要基于CdTe。然而基于CuInS2光伏电池，铜铟硒，CuInGaSe2或非晶和纳米晶硅已达到商业化并进入光伏市场。由于热力学的限制，单节光伏电池（第一代与第二代光伏）的光电转换效率最高只能达到32.9%，对于吸收AM 1.5G 的光谱。这一限制，也被称为肖克利–Queisser限制，源于这样一个事实，光子能量低于带隙能量不是被吸收，高于带隙能量的光子的能量将释放额外的能量，而（ephotonegap）主要为热。第三代太阳能电池的目标是将转换效率突破肖克利–Queisser的限制通过先进的光伏概念如多结的限制细胞，光学上和下变频器，由碰撞电离产生的多载波，杂质带细胞，等等。据报道，多节光伏电池的转换效率略高于40%在采用集中的太阳光下。在过去的几年里，由于优异的光电性能，量子点（QDs）吸引了广泛关注。通过控制它们的尺寸，量子点的吸收光谱能够被调整，这使得其非常适用于光伏电池。大量关于量子光敏化太阳能电池的体系构架被提出来，包括基于量子点光敏化具有宽能带隙纳米结构的光电化学电池，沉浸在电解质中的量子点薄膜，基于量子点或者聚合混合物的固态结构单元，以及夹在电子和空穴导体之间的