光伏材料物理-量子点太阳能电池2ppt课件

1、量子点太阳能电池量子点的概念量子点(QuantumDots一QDs)是准零维的纳米资料，由少量的原子所构成。是指颗粒半径(或三个维度的尺寸)小于资料激子玻尔半径的金属或半导体颗粒，其内部电子在各方向上的运动都遭到局限，所以量子局限效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不延续电子能级构造，因此量子点又被称为“人造原子。假设将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自在运动，这样的系统我们称之为量子阱；假设我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，那么电子只能在一维方向上运动，我们称之为量子线；当三个维度的尺寸都缩到一个波长以下时，就成为量子点了。 能

2、态密度能态密度 对于不同维度的电子体系，许多独特的光学性质来对于不同维度的电子体系，许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占据。被自旋向上和向下的两个电子所占据。Quantum well: particle confined by a 1-D potential well, but free in other 2-D, quantum states labeled by n, kx and ky: )(2),(2

3、22222yxyxkkanmkknEach n represents a branch or subbandQuantum wire: particle confined by 2-D potential wells, free only in 1-D (1-D free particle), quantum states labeled by n1, n2 and kz: )(2),(222222212221zzkbnanmknnQuantum dot: particle confined by potential wells in 3-D, quantum states labeled n

4、1, n2 and n3:)(2),(22322222122321cnbnanmnnnAll discrete levels, like in atom量子点的制备方法量子点的制备方法自组成法(self-assembly method)：采用分子束外延或化学气相堆积过程，并利用晶格不匹配的原理，使量子点在特定基材外表自聚生长，可大量消费陈列规那么的量子点。在在GaAs基材上以自组成法生长基材上以自组成法生长 InAs量子点的量子点的STM影像影像 量子点的制备方法量子点的制备方法微影蚀刻法以光束或电子束直接在基材上蚀刻制造出所要之图案，由于相当费时因此无法大量消费。以以GaAs基材蚀刻窄圆柱基

5、材蚀刻窄圆柱式量子点之式量子点之SEM影像，影像，程度线条约程度线条约0.5微米微米 量子点的制备方法小结量子点的制备方法小结合合成成方方法法Top-downBottom-up晶体外表晶体外表刻蚀刻蚀组成器组成器件件化学制化学制备备生物体系生物体系标志标志波长范围宽，发射峰锋利，发射波长可以经过纳米粒子粒径调理，易于自组织Relaxing Electron Emits Fixed Radiation Electrons relax back to the top edge of the valence band from the bottom edge of the conduction ba

6、nd. This causes the fixed emission peak of semiconductors.Bulk Semiconductors - A Fixed Range of Energies Quantum Dots - Quantum Confinement If the size of a semiconductor crystal becoes small enough that it approaches the size of the materials Exciton Bohr Radius. The electron energy levels can no

7、longer be treated as continuous - treated as discrete, meaning that there is a small and finite separation between energy levels. This situation of discrete energy levels is called quantum confinement, and under these conditions Concept of Quantum Confinement Effect :Coulomb energyParticle-in-a-SP q

8、uantum localization energy Bohr exciton radiusRemh*me*REr022224786. 1112-D114202rBmh*me*ea Size of particle Bohr exciton radiusQuantum Confinement effect Exciton energyEg= Eg.bulk + EFor semiconductors, aB is in a few nm to a few 10-nm Excitons: electron and hole bound together like a hydrogen atom

9、Hamiltonian of exciton her02he2h*h22e*e2rr4e)V(r)V(r2m2mH-A Tunable BandgapAccording to size of quantum dot semiconductor will measurably alter the bandgap energy a tunable bandgap! This is possible as long as the size of the dot is close to or below the Exciton Bohr Radius.Exciton Bohr DiameterSize

10、 Dependent Color Quantum dots, the size of the bandgap is controlled simply by adjusting the size of the dot. Because the emission frequency of a dot is dependent on the bandgap, it is therefore possible to control the output wavelength of a dotRef. evidenttech/qdot-definition/quantum-dot-introducti

11、on.phpOptical Properties Of Quantum Dotsa) Multiple colorsb) Photostabilityc) Wide absorption and narrow emissiond) High quantum yieldQuantum Yield 60 70 %Single source excitation(Tellurium)传统染料和量子点的区别(A) Excitation ( dashed) and fluorescence ( solid) spectra of fluorescein; (B) A typical water-solu

12、ble nanocrystal sample in PBS传统荧光素量子点激发光-虚线；发射光-实线；半峰高宽度：67nm vs. 32nm；10%峰高宽度：100nm vs. 67nm；量子点光谱优点： 无红外延伸，延续、宽激发谱广激发谱，窄发射谱染色稳定性量子点在生物上的运用量子点在生物上的运用 量子点的颗粒越小，发出的荧光波长越短，因此颗粒大小不同的量子点 ，可以显示出不同的颜色：单个波长可激发一切的量子点，而不同染料分子的荧光探针需多个激发波长。运用范围广：可用于多领域和多仪器多种颜色：颜色取决于量子点的大小，在同一激发波长下，可发出多种激发光，到达同时检测多种目的的要求。抗光致漂白性

13、平安：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研讨荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍，便于长期跟踪和保管结果量子点在生物上的运用量子点在生物上的运用p QD可用于非同位素标志的生物分子的超灵敏检测，如在QD外表衔接上巯基乙酸HS-CH2COOH),从而使量子点既具有水溶性，还能与生物分子如蛋白质、多肽、核酸等结合，经过光致发光检测出QD，从而使生物分子识别一些特定的物质。Schematic of a ZnSCapped CdSe QD that is covalently coupled to protein量子点在生物上的运用量子点在生物上的运用量子点在生物上的运用传感器量子点在生物上的运用传

14、感器生物芯片技术：量子点颜色的多样性满足了对生物高分子蛋白质、DNA所蕴含海量信息进展分析的要求：将聚合物和量子点结合构成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸颜色的量子点，被照射后开场发光，经棱镜折射后传出，构成几种指定密度谱线条形码，这种条形码在基因芯片和蛋白质芯片技术中有光明的运用前景。利用量子点察看细胞分裂过程在生物检测中的其它运用 把量子点分别同生物素、尿素、醋酸盐和某种抗体链接了起来，胜利地到达了特定的细胞构造； 可以有许多种分子用作量子点的导引物质，包括核酸、细胞膜上的脂质、同载体蛋白质或载体糖联络严密的蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞构造中去； 研讨人员正努力于量子点在

15、神经递质研讨了解神经信号传导的研讨中的运用。他们将量子点标志在一种重要的神经递质5-羟色胺上, 然后察看了转运蛋白是怎样推进神经递质在将信号经过相邻神经细胞的间隙传送后，又回到细胞中的过程； 可以运用在医学成像技术中。量子点太阳能电池一光化学电池二肖特基电池 The quantum dot band gap is tunable and can be used to create intermediate bandgaps. The maximum theoretical efficiency of the solar cell is as high as 63.2% with this me

16、thod.三量子点中间能带太阳能电池量子点中间带资料可经过尺寸为纳米量级的半导体量子点镶嵌在三维的宽带隙半导体资料中来实现 量子点为势阱，宽带隙半导体为势垒。1量子点的严密陈列使得势垒区很窄， 电子具有共有化运动特征， 继而构成子带；2可以经过对势垒区进展 型调制掺杂来满足中间带半满的要求，调制掺杂的浓度大约等于量子点的浓度；(1)要求价带到中间带的吸收系数比中间带到导带的吸收系数大；(2)要求中间带必需是半满的，且应有足够的电子空穴密度，可以满足电子从价带到中间带然后从中间带到导带的跃迁需求；(3)要求量子点具有适宜的尺寸、外形以及组分，以获得位于价带和导带中间适宜位置的局域能级；(4)要求

17、量子点间构成严密的三维周期陈列;(5)要求量子点阵列中量子点单元尺寸均一度好尺寸分散性10%;量子点中间能带太阳能电池的根本要求量子点中间能带太阳能电池的根本要求四量子点多激子太阳能电池太阳光谱涵盖的能量约在0.33 eV之间，比大部分半导体能隙还大，因此当阳光照射在这些资料时会产生能量比能隙高的电子或电洞，称为热载子(hot carriers)。在块材半导体中，热载子会在数皮秒内迅速冷却并释放出声子(phonon)，亦即透过晶格振荡将能量以热的方式释出，这正是现行的太阳电池有高达50%能量损失的主因。因此如何有效利用热载子的能量来产生更多激子，是开展光伏元件的重要议题。 由于量子局域效应(quantum confinement effect)之赐，量子点能带内的能阶(intra-band energy levels)有较大的间距，与声子间的交互作用较小，因此能抑制这个