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信息本文介绍了量子点纳米晶的特殊物理特性、各种制备方法及其在太阳电池材料中的应用。关键词：量子点；准备；准备。太阳能电池引言人口快速增长，快速工业化和能源使用，目前化石能源消耗迫在眉睫的情况下，积极寻找可替代化石能源第二次能源的太阳能被誉为不可忽视的一员。目前占据市场主要份额的晶体硅基太阳能电池的光伏转换效率高达10 %-20%，但原料高纯硅成本昂贵，因此将重新寻找替代硅的物质。该研究表明，通过量子点敏化，可以增加金属氧化物的光吸收，在量子点表面发光，可以有效地将电子转移到金属氧化物，理论研究表明能量转换效率的限值约为66%，可以大大提高光学特性。本文介绍了太阳电池材料中量子点的各种制备方法及其独特的光学和电学特性。其制造方法包括：金属有机化合物热分解法、均匀沉淀法、溶胶-凝胶法、连续电离层吸附反应(SILAR)法、化学浴沉积法(CBD)和电沉积法(EPD)。一.量子点的特性量子点是零维纳米材料，其自身体积小，普通，因此物理性质也不同于普通的大型材料。量子限制效应是指，当粒子大小接近电子的德布罗利波长和退球半径时，电子在三维空间的运动受到限制，电子的运输不能顺利进行，相互干扰得到加强，电子的能量水平从连续能量水平转变为个别能量水平，能量水平之间的带隙扩大。大小减小时，能量间隙扩大，发生激子强吸收，激子也向蓝色移动。也就是说，从最小能量向高能方向移动，使吸收光谱向短波方向移动。与本体材料相比，半导体纳米粒子在吸收光谱中从原始宽度的吸收变化到狭长高特性吸收峰。在量子大小效果的影响下，能量级别发生变化，带隙扩大，纳米粒子发射增加，光学吸收移动到蓝色，粒子大小减小，CdSe粒子从红色逐渐变为亮黄色，PbS粒子从黑色逐渐变为黄褐色，等等，最直观地显示了采样颜色的变化。表面效应随着量子点纳米粒子大小的逐渐减小，粒子表面的原子数量逐渐增加，随着量子点的比表面积大小的减小而增加。由于量子点的比表面积大，表面的原子数增加，悬挂键和不饱和键多，没有足够的配位，活性大，容易与其他原子结合反应。表明，由于表面效应，量子点表面的能量增大，活性提高，粒子大小减小，熔点降低。小尺寸效应是，当纳米粒子的大小小于光波长、德布罗意波长等物理特性大小时，非晶量子点表面的原子层的原子密度降低，光、声、电、磁等特性发生变化。尺寸减小后，光吸收会大大提高，磁秩序状态变为磁无序，声子改变，超导相遇变成正常等。例如，当现有的体相金变成2 nm的金粒子时，熔点也从1337 K减少到600 K。这种大小减少引起的这种特征现象称为小规模效应。宏观量子隧穿效应是微纳米粒子具有渗透整个屏障的能力。由于量子点的大小小，内部电子的运动受到限制，载体在纳米尺度的宾门的输送过程中发生了相当大的电磁波，因此电子的能量水平是分开的。一般而言，量子点导电区域存储在量子场中，电子锁定在纳米三维尺度上，给定外部电压，电子就形成了超越壁垒的费米电子解。系统开始具有传导性。量子隧道效应是电子从一个量子阱通过支点进入另一个量子阱，系统由绝缘变成导电。例如，有铁磁性的磁铁在粒子大小为纳米时，铁磁性会变成顺磁性或软磁。利用量子隧道效应，还开发了量子共振隧穿晶体管。激子效应很好地用于半导体发光器件的研究和开发，半导体量子点的光吸收、发光、激发和光学非线性过程都受到激子效应的影响。2002年，诺齐克首次提出半导体量子点具有多激子生成效果。如果量子点吸收超过量子点能带能量的光子，就会产生两个或更多的电子。激发态的量子点将产生的光生电子迅速注入相邻的工作电极。多激子效应的发现引起了很多研究爱好者的兴趣，促进了量子点太阳电池领域的巨大发展。目前，太阳电池的能量中约有50%以热能形式损失，量子点的转换效率超过200%，量子点太阳能电池产生的额外电力就可以弥补热情况损失的能量。因此，量子点在太阳电池研究中具有十分重要的意义。二.量子点在太阳能电池中的应用在量子点敏化太阳电池中，量子点是太阳电池与太阳光连接的介质，量子点的存在有效地提高了光电极物质对太阳光的吸收。在普通量子点太阳能电池中，量子点以无序或理想的排列结构夹在两种基板材料之间，其中一种是用于发光的半透明基板。为了提高实际元件中电子或空腔的传输效率，经常在基底和量子点层之间添加金属或导电聚合物等薄层导电材料。通过叠加相同或不同的量子点层，可以提高光的吸收和电荷的分离和传输效率。目前太阳能电池使用的量子点材料有PbS、PbSe、CdS、CdSe、ZnS、ZnSe等。但是，量子点纳米大小的粒子大小具有很大的比表面积，所以量子点中的大部分原子都位于粒子表面。表面原子暴露在晶格外部，配位不足，不饱和键增加，这种表面原子具有很高的活性，使其他原子和电子转移非常容易。同时，巨大的比表面积会增加表面缺陷，可能会被陷阱束缚电子或孔。阻碍电子和空腔的转移。在QDSSCs中，过多的表面缺陷不仅阻碍了电荷的有效分离，还容易将量子点腐蚀到太阳能电池中的电解质，电池稳定性差。对于这些缺点，通常使用绝缘材料涂层量子点的方法来减少表面状态的数量，例如在CdSe表面变形ZnS层，从而有效抑制电子的复合。在以后的研究中，如果设计用于减少电子复合和材质表面状态，则可以使用类似的方法。三.量子点的制备1.金属有机化合物热分解法该合成方法是一种非水溶液胶体化学合成法，广泛用于量子点物质的合成，在室温下进行，对原包含目标产物的有机试剂进行反应、溶解、结晶、真空中加热分解，得到所需材料；如果最后阶段是加热回流条件，就可以得到产物的胶体纳米粒子。例如，将Cd(SePh)2溶解在甲苯后，将苯乙胺添加到上述溶液中反应。然后，最后，通过缓慢添加庚烷，在真空中热分解晶体，可以制造CdSe材料，结果将结晶体溶解于4-乙基吡啶，加热回流一段时间，就能得到CdSe胶体纳米粒子。胶体化学合成法具有获得高质量纳米晶体的诸多优点，但在高温及无水无氧酸的苛刻条件下也有反应的缺点，所使用的药物大部分是有机试剂，毒性和危险性都很大。2.均匀沉淀法均匀沉淀法是将沉淀剂溶液加入金属盐溶液中，快速连续搅拌，使沉淀剂在溶液中慢慢均匀地产生沉淀。在不直接与沉淀剂沉淀的成分反应的情况下，在一定条件下，沉淀剂溶液均匀地缓慢释放结晶温度，与金属离子反应，生成纳米粒子。例如，硫乙基邻苯二胺在加热时缓慢释放硫化氢，硫化氢与镉盐反应，生成均匀的硫化镉纳米粒子。用这种方法制造的粒子粒度分布较小，分散性好，但结果产品纯度低，颗粒半径大。溶胶-凝胶法(Sol-Gel)金属烷烃氧化物和金属无机盐等前驱体在一定条件下水解形成溶胶，通过缩聚反应得到凝胶，然后通过加热、溶剂挥发等形成纳米材料。例如，尤舒曼等可以使用巯基乙酸作为稳定剂，在水溶液中用sol-凝胶法沉淀，得到1.8-4.0 nm的CdSe纳米粒子。该方法的优点是成本低，方法简单，制备的纳米材料均匀性和纯度高。连续离子层吸附反应(SILAR)法称为SILAR法的连续电离层吸附反应在半导体薄膜上沉积量子点。首先，将半导体纳米晶膜基板放入阳离子反应物的溶液中，去除后，为了去除吸附到表面的额外反应物离子，用去离子水清洗基板，干燥后浸泡在含有负离子反应物的溶液中，进行反应，形成必要的量子点敏化纳米晶膜。这样分别在正离子和负离子反应物溶液中一次浸泡一个，称为一个循环。半导体薄膜上量子点的灵敏度可以通过增加周期数来增加。纳米粒子表面和孔内吸附的离子可以反应，粒子之间的孔大小为10纳米左右。这个方法只能制造小于10 nm的量子点。该方法的优点是不使用有机溶剂，在水溶液中合成量子点，将量子点直接组装到具有介孔结构的纳米晶膜中。化学浴沉积方法(CBD)化学浴沉积法是在比较温和的水中合成量子点，可以在大面积生产，绿色没有污染，反应温度一般在50 以下。沉积量子点的大小可以通过调节水浴温度和基板浸泡时间来调节。合成方法通常在阳离子的溶液中添加络合剂，使阳离子完全络合，然后添加阴离子复合物。在碱条件等一定条件下，复合物缓慢释放的正负离子结合形成量子点。随着时间的推移，粒子逐渐生长。该制造方法操作简单，量子点可以直接在纳米晶薄膜基板上生长，粒度小于10 nm，光谱吸收范围大，广泛应用于量子点敏化纳米晶薄膜太阳能电池。电沉积法(EPD)电沉积法一般是三点极法，将感受银作为基准电极，铂作为大电极，通过电流将量子点沉积在光阳极上。该制备方法类似于化学沉积法，操作简单，量子点生长容易，大小小于10 nm，光谱吸收范围大，是目前实验室制造最成熟量子点感应电极的方法之一。总结量子点由于三维纳米大小，在太阳能电池材料研究中有很多特殊性质，具有重要意义。各种制造方法和修改方法各有千秋，但远不如单晶硅太阳能电池和染料敏化太阳电池的转换效率理想，因此，研究量子点的改造和制造方法至关重要。参考文献1 Josep albero，John n. Clifford，emilieo pallomares . quantum dot based molectiular solar cellsc。tarragona，Spain : institute of chemical research of Catalonia(iciq)，2014336953-64。2 ge美英、刘宇峰、洛海涵、黄婺燕、孙彦、戴宁. pbs量子点的化学制备及其光伏特性J。红外和毫米波日志，2013，32 (5) :585-388。3 Guo xudong、marbeir、Wang liduo、gaorui、dong houpeng、qiuyong。CdSe/ZnS量子点敏化太阳电池电子注入和光电池特性J。物理化学杂志，2013，29(6):1240-1246。4优势钢。激子的增殖和第三代太阳电池J。影像科学和光化学，2013，31 (3) :11-174。5 hyun sung kima，kyung byung Yoon . preparation and character ization of CDs and PBS quantum dots inc。Seoul，Republic of Korea : Korea center for artificial photo synthesis，sogang university，2014336939256。6田枫、贺荣、峰、古红辰。水上合成CdSe量子点研究J。湘潭大学自然科学杂志，2005，27 (4) 33363684-89。7晋城、等进步、驻马店杨、吕素月、银月红、邹的产业、杜海良、伦