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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)、开路电压（V)、填充因子（Fill

SCOC

Factor，FF)、量子效率（QuantumEfficiency)、串联电阻（R）和

S

并联电阻（R)等。

Sh

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。

1.量子点太阳能电池

量子点基本原理

【

半导体量子点是一种准零维的纳米材料，一般由少量的原子构

成，又称为半导体纳米超微粒。半导体量子点是一种典型的小量子体

系，常被称为“人造原子”、“超晶格”。由于量子点三个维度的尺寸

一般都在1~100nm之间，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，

因而表现出不同于半导体体材料的特性，如量子限域效应、表面效应、

量子尺寸效应等。使其作为新型发光材料、光催化材料、光敏传感器

等方面具有特殊的潜在应用前景。与太阳能电池联系紧密的是量子尺

寸效应、表面效应、多激子产生效应。

对于半导体材料来说，当其粒径尺寸下降到与其激子波尔半径

相当时，将存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨

道能级，而且其能隙随粒径减小而不断变宽，这种现象被称之为量子

尺寸效应。量子尺寸效应可以使量子点在其吸收光谱中出现一个或多

个明显的激子吸收峰并且随着量子点尺寸的减小而不断蓝移，因此可

以通过改变量子点的尺寸来调控其光学吸收波长，从而使得胶体量子

点在太阳能电池中的应用中具有了独特的优势。表面效应，纳米材料

所具有的另一个显著特点是比表面积大，纳米晶