量子点在太阳能转化过程中的应用-论文.pdf

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1、第31卷第1期上海第二工业大学学报V0l_31NO．12014年3月JOURNALOFSHANGHAISECONDPOLYTECHNICUNIVERSITYMat．2014文章编号：1001—4543(2014)01—0001—08量子点在太阳能转化过程中的应用张金中，石建英2(1．加州大学圣塔克鲁兹分校化学与生物化学系，美国加州950064；2．中山大学化学与化工学院，广东省教育厅环境与能源化学重点实验室，广州510275)摘要：利用清洁可再生的太阳能是人类从根本上解决能源危机和化石燃料使用所带来环境污染问题的最有效的途径之一，而将光能转变为电能的太阳能

2、电池是人类利用太阳能的主要途径。当前已经出现了多种新的用于提高太阳能电池的光电转化效率以及降低太阳能电池成本的技术。其中，利用量子点半导体作为吸光材料直接用于光电转化或者敏化低成本的金属氧化物间接用于太阳能的转化，是相对新并且有前景的技术之一。针对基于量子点的太阳能电池的研究在过去十年中已经取得了显著的成果，文中在对基于量子点的太阳能电池基本原理作简要介绍的基础上，从几个特殊例子出发介绍了相关研究工作的最新进展。关键词：量子点；太阳能电池；光电转化中图分类号：0649文献标志码：A0引言池的光电转化效率已经高达10％一2O％[31。然而，获得高转化效率所需

3、的高纯硅造价昂贵[4】’这一问随着人口的急剧增长及工业化的快速发展，人题在生产硅基太阳能电池所需的体硅材料时更加突类对能源的需求到达了前所未有的程度。同时，作出。因此，寻找能够长期、稳定地实现能源转化的可为人类赖以生存的、不可再生的化石能源即将消耗替代材料是解决这一问题的根本途径。殆尽。此外，化石燃料消耗所带来的二氧化碳排放金属氧化物具有低成本、高稳定性的优点，但已经成为影响人类生存环境及制约经济发展的主要大多数金属氧化物具有宽的能带结构，不能够有效因素。因此，寻找可替代的、理想的可再生能源成为地吸收可见光[】。因此，人们通过各种途径来提高极其迫切的任务，

4、是当前科学和技术发展的前沿领金属氧化物对光的吸收，例如使用染料分子或半导域。体量子点(QD)作为敏化剂达到可见光吸收的目的，在各种可替代的能源中，太阳能是当前最具吸同时染料分子或半导体量子点能够将光生电子转引力的可再生能源，具有环境友好、分布广泛、取之移到金属氧化物上j。虽然染料敏化太阳能电池不尽用之不竭的特点[】。通过大面积制造和廉价材的效率已达到12％，但有机染料分子长期的不稳料的使用，可以低成本、高效率地利用太阳能[1】。太定性制约了该类电池的进一步发展。作为最有前阳能还可以经过电解或光电化学过程产生可存储的景的金属氧化物敏化材料，相对稳定的无机半导

5、体化学燃料[2】o量子点近年来备受关注，其太阳能转化效率超过了目前，占据市场主要份额的晶体硅基太阳能电5％[4,7-1o】。与此同时，基于物理沉积或溶液过程合收稿日期：2014—02—03；修订日期：2014—03—05通讯作者：张金中(1962一)，男，河南人，教授，博士后，主要研究方向为激光化学，纳米生物化学，先进材料的设计、发展、表征和应用等，电子邮箱zhang@ucsc．edu。基金项目：美国能源部(DE．FG02一ER46232)和自然科学基金(ECCS一0823921)；中国国家自然科学基金(No．21103235)、广东省自然科学基金(No．

6、$2012010010775)和广州市科技计划项目(No．2013J4100110)资助第1期张金中，石建英：量子点在太阳能转化过程中的应用3AUZn／Au__1r_]r_]r

7、1广30nmp+-A1GaAswindowlayer250amP—GaAsemitterlayerl●I-I■▲▲I■LI●▲I■l■■▲▲▲■■▲I▲■II▲▲▲▲II10pairs10．5MLInGaAsQDs／15amGaAsSLJI●■▲▲I▲■■▲JI▲I●LII■■▲▲▲■▲▲▲I■■I1000n／Tln—GaAsbaselayer250nmn一GaAsbufferla

8、yern一GaAsf311)Bsubstrate(Ig0．旨．)／^∞口。勺甚0hIn0图3构筑于GaAs(311)B基底的多层InGaAs／GaAs量子点太阳能电池：(a)结构示意图；(b)1．5AM照射下，GaAs(3l1)B基底上10层堆叠的67nm厚的InGaAs／GaAs量子点太阳能电池的电流一电压曲线(—)(Voc：开路电压；／sc：短路电流；FF：填充因子；叼：能量转化效率)Fig．3SchematicoftheInGaAs／GaAsQDSCfabricatedonGaAs(311)B：(a)schematicstructure；(b)rep

9、resentativecurent—voltagecurve(—V