《量子点敏化太阳能电池研究综述》3700字

量子点敏化太阳能电池研究综述目录TOC\o"1-2"\h\u22554量子点敏化太阳能电池研究综述 1183971.1量子点敏化太阳能电池的研究状况 123461.2量子点敏化太阳能电池的优点 113488（1）限域效应 116458（2）表面效应 27597（3）尺寸效应 217638（4）多激子效应 244191.3制备量子点 29600（3）自组装法 3323781.4量子点敏化太阳能电池的组成 328007（1）光阳极 316962（2）电解质 328987（3）对电极 4256971.3提升量子点敏化太阳能电池性能措施以及未来发展方向 41.1量子点敏化太阳能电池的研究状况 量子点敏化太阳能电池的构成大致和染料敏化太阳能电池相同，仅用量子点替换染料。在2001年第一界光伏结构国际研讨会上，M.Grätzel及其团队提出了量子点敏化二氧化硅的概念。于是，量子点敏化太阳能电池开始被各国科学家们广泛关注。伴随着量子点敏化太阳能电池的不断发展，其光电转换效率也越来越好，因此研究此课题的人数也不断增加。这样的良性循环使得量子点敏化太阳能电池的发展十分迅速，从10年至18年短短8年间，光电转换从开始的不足5%到后面的超过12%，并且作为量子点敏化太阳能最核心的组成部分光阳极近些年也在飞速的发展着，未来发展十分可观。我国近些年在量子点敏化太阳能电池方面也实现突破性进展，华东理工大学钟新华教授及其团队于2016年一举突破了电池大规模产量化难以达到10%的瓶颈。仅仅一年后该课题组又尝试改进对电级，并获得了巨大的成功，认证效率达到了惊人的12.07，属于世界顶尖水平。1.2量子点敏化太阳能电池的优点量子点敏化太阳能电池和染料敏化太阳能电池大体上差别在于量子点和染料制备及其性质上的差异。因此相比而言，优势大致体现在量子点的性质上：限域效应构成量子点尺寸过大时，此时激子难以被形成，连续的带状成为电子能级所表现的状态，也可以说构成这样的能级带状为数不清的能级间隔十分微小的电子能级。而当量子点尺寸过小时，此时电子周围的空间十分有限，这就导致了电子的自由里程被压缩的很小，此时十分有利于激子的产生，并伴随着激子吸收带的出现。因此，我们因为就可以这样描述量子限制效应，当量子点本身尺寸越小时，激子就越越容易出现，并且其吸收能力也就越强。并且由波尔半径的公式也可知，当在染料敏化太阳能电池使用量子点时，可用调节粒子的大小和采用不一样能带的方式来控制波长的吸收，在此情况下激子的浓度就会通过量子限制效应进行提升。表面效应量子点本身的比表面积比较广，当原子数量越来越多时，就会使得其配位稀缺。这样的结果会产生很多的不饱和键和悬挂键。因此，表面原子本身的结构以及输运会应表面效应而受到改变，原子表面的光学性质也会受到一定程度都影响。量子点可借助此效应而获得较高的吸光系数。尺寸效应能系宽度以及光吸收谱可以跟随量子点本身大小的而不断变化，最终调整到最佳状态，此效应被称为量子尺寸效应。当量子点尺寸过小时，也即小于波尔半径或者德布罗意波长，电子能级会变为分立5的能级。当量子点尺寸改变时，光吸收谱会出现不同的现象。例如，量子点不断变小时，会伴随着蓝移现象的产生。此时，能级间的间距也会不断的扩大。而当量子点不断增长时，则会出现红移现象。此时，能级间的间距在不断缩减。多激子效应在太阳光谱中，可见光当中光子能量会被选择性吸收。例如，低于半导体带的就会选择不吸收。其中，热电子代表电子形成的很大能量大于半导体带隙，热空穴则是代表空穴形成的很大能量大于半导体带隙。碰撞离子化是高热的空穴电子对从高能态降低到低能态时，在此之间释放的能量可以将其他的空穴对（可以为一对也可以为多对）激发的过程。俄歇复合过程正好与之相反。通过碰撞离子化效应这个过程，可以得出两个及以上的空穴电子对可以由一个光子产生，此效应被叫做多激子激发效应。多激子激发效应的出现也有限制，唯有在碰撞离子化速度很高时（也即比弛豫过程和热电子冷却速率更高时）才会出现。但是由于在半导体中电子空穴冷却十分迅速，因此，多激子效应在块材中难以出现。量子点敏化太阳能电池理论效率已被人为证实最高可以接近60%以上。这样结果给予了相关科研人员继续研究的信心和动力，也带来了量子点敏化太阳能独特的魅力。1.3制备量子点电沉积法：将量子点提前准备好，经过不断加压，作用在薄膜（多孔半导体）电极上。合成量子点：分为两类不同方法，第1类被称为连续化学沉积，制备出量子点的过程是把二氧化钛依次放在两种不同盐溶液当中浸泡。第2类则被称为化学浴沉积：①准备含有阳离子的试剂，将二氧化钛放入静止些许时辰；②清楚表面剩余无用反应物，然后放在含有阴离子的试剂，这样就可以得到新的薄膜；④依次按照上述步骤不断重复，最终可以得到多次不断层积；这样制备出的粒子大小也在一定的规律内，无法形成10纳米以上的量子点。这种制备的方法是能够获得量子点，在此基础之上也可将此放在二氧化钛薄膜之上。自组装法①提前准备好量子点，并且进行纯化；②将其分别散落在试剂里，并把二氧化钛薄膜放在其中浸没，以此来反应；但是这种连接方式并不牢固，因为是物理性吸附，因此稳定性差强人意。1.4量子点敏化太阳能电池的组成光阳极、电解质、对电极是量子点敏化太阳能最基础的组成部分，它最直观的状态是呈现一种夹式结构。电解质基本上为多流电解质。下面详细介绍这三类器件。（1）光阳极 光阳极是最核心的器件，通常由透明①导电玻璃②二氧化硅（氧化锌）等半导体薄膜③硫化镉、硒化镉等量子点构成。光阳极也被称为量子点敏化太阳能电池中的工作电极，光阳极在量子点敏化太阳能电池中的工作功能主要表现在两个方面，一是当来自太阳光的光子能量落在量子点上时，量子点分子从导电衬底转移光激发电子。二是理想中的光阳极应具有较高的表面积，以确保有足够的量子点来有效的捕捉光。光阳极的电子输送在量子点电子输运在量子点敏化太阳能电池中起着重要的作用。FTO也因其优异的导电率和光学透明度而受到广泛应用。在太阳能电池快速发展的一段时间内，量子点敏化材料也在不断的发展。例如，硫化镉、硒化镉、硫化铅、硫化银、硒化锌等被证实有着良好发展前景的一类。在这些量子点当中，镉硫系化物量子点是最优的选择，首先因为这些量子点更稳定，更加容易制备。其次，禁带宽度可以通过量子点量子点大小来不断调整。要制备出有着理想的半导体薄膜，就要具备如下优势：①电子迁移率较高；②量子点的电子可以进入导带上；③光散射性能出众，能吸收足够多的太阳光等。在目前众多半导体材料中，二氧化钛是备受青睐的一种。科学家们经过对其不断改进，可以达到具有更好传输能力的效果。氧化锌和二氧化钛的物理性能十分的相似，但是氧化锌输出密度更高，也有着巨大的发展潜力。出了对上述两种材料有着突破性研究外，还寻求了其他方式来提升电池性能。例如，通过掺杂光活性的过渡金属离子是改变量子点的电子和光物理性质的有效途径。因为在量子点的中隙区域产生了电子态，从而改变了光产生的电子分离和重组动力学。（2）电解质电解质是一种通过离子的运动导电的物质，为太阳能电池的研究开辟了新的路径。电解质主要分为液体、准固体和固体这三类。液体电解质的挥发性和水或氧分子的渗透会导致性能的快速降解。解决这一问题有效的方法是用准固态或固态电解质代替挥发性液体电解质。准固态聚合物凝胶电解质有着较高的离子导电率、良好的稳定性和优良的渗透能力，因此被广泛研究和应用。量子点敏化太阳能电池使用最为广泛的是聚硫化物电解质，因为其与致敏剂有着很好的兼容性，因此能给电池带来很好的性能。随着人们对量子点敏化太阳能电池稳定性越来越重视，量子点敏化太阳能电池中的液体电解质和准固态电解质逐步取代固态电解质。光伏效果差强人意一个重要因素就是聚合物固态电解质对介孔二氧化钛的渗透能力较弱以及比较低的电子导电率，这限制了固体电解质的膜厚度，降低了采集光的效率。因此，提高效率需要提高电解质的导电率和渗透能力。在此之上还需不破坏电池内部组成部分、避免吸收可见光以及能使电解质和电极之间充分反应。（3）对电极对电极是量子点敏化太阳能电池重要组成部分。对电极的任务是从外部电路收集电子，减少氧化物质。对电极的性质必须对氧化还原电解质具有催化活性（铂的对电极正是由于其较高的催化活性而被广泛研究）。除此之外，制备对电极的材料还应该导电率低、比表面积大、导电性能优良等等。碳纳米管和石墨烯的结合使得比表面积大大增加了，可以增加金属硫化物催化剂。因此，碳衍生材料和其他类型材料相比具有很好的催化性能随着进一步的优化，碳衍生材料将会成为对电极材料的理想材料。1.3提升量子点敏化太阳能电池性能措施以及未来发展方向①降低电荷复合，升高其收集效率。具体步骤可以通过为注入的电子设计一个一个到达收集电极的专用通道，可以明显提高其效率。②改善电极太阳光利用率，提升电子注入效率③对于氧化锌粒子来说，在其他条件相当情况下，由于其表面积不大，因此吸