量子点太阳能电池技术概况

量子点太阳能电池技术概况

作者：孟庆波

来源：《新材料产业》 2013年第3期

文/ 孟庆波中国科学院物理研究所

一、概述

1．量子点太阳能电池概念

近年来，量子点太阳能电池已成为国际上的研究热点。此类电池的主要特点是以无机半导体纳米晶（量子点）作为吸光材料。量子点（QuantumDots,QDs）是准零维(quasi-zerodimensional)纳米材料。粗略地说，量子点3个维度的尺寸均小于块体材料激子的德布罗意波长。从外观上看，量子点恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，即量子局限效应(quantum confinementeffect)特别显著。

量子点有很多的优点：①吸光范围可以通过调节颗粒的组分和尺寸来获得，并且可以从可见光到红外光；②化学稳定性好；③合成过程简单，是低成本的吸光材料；④具有高消光系数和本征偶极矩，电池的吸光层可以制备得极薄，因此可进一步降低电池成本；⑤相对于体相半导体材料，采用量子点可以更容易实现电子给体和受体材料的能级匹配，这对于获得高效太阳能电池十分关键。更重要的是，量子点可以吸收高能光子并且一个光子可以产生多个电子-空穴对（多激子效应），理论上预测的量子点电池效率可以达到44%。因此，量子点太阳能电池常常被称作第3代太阳能电池，具有巨大的发展前景。

2．量子点太阳能电池分类

目前，量子点太阳能电池主要分为肖特基太阳能电池、耗尽型异质结太阳能电池、极薄层太阳能电池、体相异质结太阳能电池、有机-无机异质结太阳能电池和量子点敏化太阳能电池等，具体说明如下：

（1）肖特基量子点太阳能电池肖特基量子点太阳能电池的结构非常简单，在导电玻璃上涂覆量子点层，再在量子点层上加载金属阴极即可。它的优点在于：第一，结构简单，量子点层可以通过喷雾涂覆或者喷墨打印的方式获得，有利于工业化生产；第二，量子点层的厚度仅为100nm左右，可以进一步降低电池成本。

但是，肖特基量子点太阳能电池有一些缺点：首先，少数载流子（这里为电子）必须在到达目标电极前穿过整个量子点层，易产生较严重的复合；其次，金属-半导体界面的缺陷态导致费米能级的钉扎现象，降低了电池的开路电压，所以肖特基量子点太阳能电池的开路电压一般较低。加拿大多伦多大学和阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)Ted Sargent领导的研究组近期在胶体量子点（C Q D）薄膜的研发方面获得重要突破。研究人员采用廉价的硫化铅（P b S）量子点制备胶体量子点太阳能电池，获得了7%的光电转换效率。该研究的相关成果发表在《自然·纳米技术》（N a t u r eNanotechnology,2012）上。

（2）耗尽型异质结量子点太阳能电池耗尽型异质结量子点电池的主要特点是量子点吸光层像三明治一样夹在金属电极和电子传输层〔一般为二氧化钛（TiO2）〕之间，电子流向TiO2层而不是金属电极，因此其电池的极性是反转的。由于耗尽层存在内建电场，阻止了空穴从T i

O2向量子点层的传输，有利于电子、空穴的分离。

耗尽型异质结量子点电池具有以下几个优点：第一，少数载流子的分离和转移效率得到提高；第二，由于耗尽层存在内建电场，在一定程度上抑制了电子从T i O2回流到量子点层；第三，开路电压得到提高。采用P b SQ Ds的耗尽型异质结量子点太阳能电池的光电转化效率已经超过了5%。

（3）极薄吸收层量子点太阳能电池极薄吸收层量子点电池的基本结构是，极薄的量子点层（约150nm厚，i型）作为主要的光吸收层，像三明治一样夹在n型无机半导体〔一般为TiO2或氧化锌（ZnO）〕和p型无机半导体〔一般为碘化亚铜（CuI），异硫氰酸胍（CuSCN）等〕中间。半导体和量子点层的接触面积、量子点层厚度对于电池效率影响较大。目前，以三硫化二锑（Sb2S3）为量子点层材料的TiO2/Sb2S3/CuSCN的极薄吸收层太阳能电池效率为3.37%。

（4）基于量子点体相异质结太阳能电池由于非常适合卷对卷（r o l l - t o -r o l l）生产工艺，基于量子点体相异质结太阳能电池成为目前研究热点之一。相比于其他聚合物电池，这种基于量子点的聚合物电池可以有效地提高光吸收效率。而量子点的种类、表面形貌和分散性对电池效率影响较大。目前，此类电池的效率为6.18%。

（5）量子点敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池与传统染料敏化太阳能电池的工作原理、电池结构特征和电子转移过程基本相同，主要差异在于：以无机窄禁带量子点取代传统的钌染料或有机染料作为敏化剂，即以量子点敏化的多孔n型半导体纳晶层（T i O2为主）为光阳极，加上含有氧化还原电对的电解液（以S2-/S22-为例）及具有催化活性的对电极构成。当太阳光照射量子点，量子点的电子、空穴对发生分离，电子从价带跃迁到导带并注入到T i O2导带中，通过T i O2多孔膜扩散到导电玻璃，经由负载到达对电极，在对电极还原电解液中的氧化态物质S22- ；同时，量子点中的空穴被电解液中的还原态物质S2-还原而完成一个循环。目前的量子点敏化太阳能电池的最高效率为5.4%。

另外，有机-无机异质结量子点太阳能电池与量子点敏化太阳能电池的区别较难界定，二者之间是有交集的，因此也有一些人把有机-无机异质结量子点太阳能电池、极薄吸收层量子点太阳能电池归结为量子点敏化太阳能电池。

二、量子点太阳能电池技术现状及发展趋势

1. 技术特点

量子点电池的制备技术因为电池的种类不同有很大区别，同时不同材料所采用的制备方法也有所不同。为了获得高质量的量子点薄膜，如砷化铟/砷化镓(InAs/GaAs)量子点电池、硅量子点电池等，一般采用物理方法，如分子束外延法（M B E）、有机金属化学气相沉积法（MOVCD）等制作量子点太阳能电池。而对于肖特基量子点太阳能电池等，则采用化学方法先制备量子点胶体溶液，再通过旋涂制备薄膜量子点电池；对于量子点敏化太阳能电池，目前采用原位化学沉积或实现制备胶体量子点溶液，再通过一些物理、化学方法实现量子点对宽禁带半导体薄膜（如TiO2）等的敏化。

2．研发现状

目前，国内许多高校、科研院所也都开展了量子点太阳能电池方面的工作，如中国科学院物理研究所、中国科学院化学研究所、中国科学院电工研究所、北京大学、清华大学、北京信息科技大学、北京航空航天大学、华东师范大学、华东理工大学、厦门大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学等。

其中，中国科学院物理研究所孟庆波团队于2007年起开展了量子点太阳能电池的研究工作，目前在电池关键材料（量子点的制备、电解质、对电极及光阳极材料）设计、制备及器件性能研究方面较为突出，已发表文章15篇，申请专利5项专利，其中2项已获授权。

3．发展趋势

目前量子点电池领域的研究尚处于理论探讨和基础研究阶段，还没有实用化的太阳能电池问世，因此，目前国内外量子点电池技术水平差距不是很大。

量子点太阳能电池所蕴藏的潜在价值是不可估量，发展潜力和空间较大。目前，量子点太阳能电池的研发主要围绕如何进一步提高电池效率及稳定性开展。具体而言，即量子点太阳电池关键材料的选择、制备及器件优化。此外，为了实现上述目标，对电池内部光生载流子的产生、分离、传输、扩散及复合等过程也需要进行深入、细致的研究，提供理论依据。

三．结语

近年来，人们已在量子点电池方面做了许多有益探索。理论研究指出，采用具有显著量子限域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44%左右。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。