量子點太陽電池研究進展

康 培，劉如彬，王 帥，張啟明，孫 強，穆 杰

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300381；2.天津藍天太陽科技有限公司，天津 300384)

太陽電池作為一種具有發(fā)展前途的清潔環(huán)保能源，已經(jīng)成為全球增長最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。但是利用廉價而豐富的太陽能發(fā)電目前依然難以實現(xiàn)，這很大程度上是由于太陽電池的造價過于昂貴。太陽能每千瓦時0.02～0.04美元的低成本目標(biāo)的確立要求其轉(zhuǎn)換效率在50%，而且總的成本要在每平方米125美元，目前還沒有一項技術(shù)可以同時達到這兩項目標(biāo)(在理論上是可行的)。眾所周知，Shockle和Queisser在1961年[1]計算的單一帶隙最大熱力學(xué)效率約為31%，而對于全太陽聚光(在46 300個太陽光照下)，其最大的單一帶隙效率增加到41%。據(jù)Shockley和Queisser分析，兩個主要的因素限制了其轉(zhuǎn)換效率：(1)超過帶隙能量的光子被吸收后產(chǎn)生熱光生載流子，但其額外動能通過聲子擴散以熱的形式損失了；(2)能量低于帶隙能量的光子沒有被吸收。

量子點太陽電池不僅是第三代太陽電池，也是目前最尖端、最新的太陽電池之一，這是因為這種電池是在使用半導(dǎo)體體材料的普通太陽電池之中，引入了納米技術(shù)與量子力學(xué)理論，預(yù)期可以實現(xiàn)令人嘆為觀止的性能。其中量子點一般是指大小約為10 nm的結(jié)晶體，并可以在這一微小的空間中限制電子。目前晶體硅是一般太陽電池所采用的主流技術(shù)，但是使用這種方式，其光電轉(zhuǎn)換效率理論上最多僅為30%，而量子點太陽電池在理論上可以實現(xiàn)60%以上的高轉(zhuǎn)換效率。一般太陽電池根據(jù)材質(zhì)不同，可吸收的光波也不一樣，特別是很難吸收紅外線等長波。而量子點太陽電池即便是相同材質(zhì)，只要改變量子點的大小，可吸收光波的波長也會相應(yīng)的改變：尺寸小的量子點可以吸收高能量范圍的太陽光，尺寸大的量子點可以吸收低能量范圍的太陽光。而且生長量子點的精確度越高，其吸收光波的控制能力以及轉(zhuǎn)換效率也就越高。目前已有很多研究者嘗試了不同材料不同結(jié)構(gòu)的量子點太陽電池，最高轉(zhuǎn)換效率在聚光條件下已經(jīng)能達到18%[2]。

1 量子點太陽電池的物理機理

半導(dǎo)體量子點太陽電池作為第三代太陽電池具有潛在的優(yōu)勢，它通過以下兩個效應(yīng)可以大大增加光電轉(zhuǎn)換效率：第一個效應(yīng)是來自具有充足能量的單光子激發(fā)產(chǎn)生多激子；第二個效應(yīng)是在帶隙里形成中間帶，可以有多個帶隙起作用，來產(chǎn)生電子空穴對。這兩個效應(yīng)的產(chǎn)生是因為量子點中的能級量子化。能級量子化還會產(chǎn)生其它效應(yīng)：減緩熱電子-空穴對的冷卻；提高電荷載流子之間的俄歇復(fù)合過程和庫侖耦合；并且對于三維限制的載流子，動量不再是一個好量子數(shù)，躍遷過程不必滿足動量守恒[3]。

提高轉(zhuǎn)換效率的兩種基本的方式 (增加光電壓或者增加光電流[4])理論上在三維量子點太陽電池的結(jié)構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)。如在量子點陣列的電池結(jié)構(gòu)[3]中，由于掩埋量子點的空間足夠小，強烈的電子耦合的發(fā)生和子能帶的形成能夠拉長電子輸運的幅度。量子點陣列里子能帶的能帶構(gòu)造能夠減緩載流子的冷卻時間，使得熱載流子在冷卻之前就被電極收集，這樣載流子有可能仍處在較高的能態(tài)時就被抽出，此時以三維有序量子點陣列作為光生電極的光壓電池或者光電化學(xué)電池就可能有高的開路電壓。與半導(dǎo)體內(nèi)形成的自由電子空穴對的動力學(xué)弛豫相比，在半導(dǎo)體量子點里光激發(fā)激子的動力學(xué)弛豫能夠得到很大的改善。在量子點里俄歇過程也會有很大的提高，多激子的產(chǎn)生會變得非常有效(每吸收一個光子會形成兩個或者更多的電子空穴對)，這樣使得提高光電流變得可能。

1.1 量子點多激子太陽電池的機理

然而在量子點中三維限制效應(yīng)會形成分裂的量子化能級，能有效的減慢電聲子的相互作用。載流子的限制效應(yīng)以及伴隨的電子空穴庫侖作用的增強，使得俄歇復(fù)合及其逆過程俄歇產(chǎn)生(倍增效應(yīng))將有明顯的增加(如圖1所示)[3]。而且對于三維限制載流子，由于動量不再是一個好量子數(shù)，因此躍遷過程也不必滿足動量守恒，這樣碰撞電離效應(yīng)可得到增強。熱電子不僅可以產(chǎn)生第二個電子空穴對，還可能產(chǎn)生多個電子空穴對，因此稱為多激子產(chǎn)生(MEG)[10]。

圖1 量子點中的多激子

多激子產(chǎn)生現(xiàn)象在PbSe、PbS、PbTe和CdSe納米晶體中確實有被報道過[10,11-15]。例如在報道的直徑為3.9 nm的PbSe量子點中(光子能量為4倍的帶隙)量子產(chǎn)能為300%，激發(fā)能量為8倍帶隙時的量子產(chǎn)能為700%[14]。基于細(xì)致平衡原理的熱動力學(xué)計算[16]在1個太陽光照下，量子產(chǎn)能為200%時轉(zhuǎn)換效率的上限為42%，而在量子產(chǎn)能為300%時上限為43%。

盡管測量出量子點中激子的形成可以帶來如此高(300%或更高)的量子產(chǎn)能，但是在任意一種基于量子點的光轉(zhuǎn)換器件中，目前還沒有報道過量子產(chǎn)能大于100%的。有關(guān)這方面的實驗?zāi)壳叭栽谶M行中。另外量子點多激子產(chǎn)生增強效應(yīng)的機制尚處于研究階段，一個可能的機制是多激子態(tài)的相干疊加效應(yīng)即吸收高能光子后立刻產(chǎn)生多個激子[11]，近期也有其他解釋MEG模型的報道[17-18]。

應(yīng)用瞬態(tài)吸收光譜儀通過檢測多激子衰退動力學(xué)信號來探測多激子，其原理是：光致吸收在帶邊的改變和在樣品中電子空穴對的數(shù)量成比例。Antonio Luque等人[2]在研究量子點太陽電池作用機理時，應(yīng)用了中紅外探索脈沖探測到了由于帶內(nèi)躍遷所產(chǎn)生的新的激子。

1.2 量子點中間帶太陽電池的機理

中間帶太陽電池能夠捕獲和吸收低于帶隙能量的光子，使太陽電池可以在沒有電壓降低的情況下提高光電流，因此它是目前第三代太陽電池研究中最為活躍的領(lǐng)域之一。在中間帶太陽電池需要解決的基本問題中，最關(guān)鍵的是光的有效吸收問題。為了使光子有最大能量輸出的同時使載流子的熱損失最小，具有一定能量的光子應(yīng)首先被相應(yīng)的最寬的能隙吸收(不同帶隙主要吸收與能隙寬度相近能量的光子，避免高能量的光子被窄能帶先吸收)[19]，同時要求價帶到導(dǎo)帶的吸收系數(shù)比價帶到中間帶的吸收系數(shù)大，價帶到中間帶的吸收系數(shù)比中間帶到導(dǎo)帶的吸收系數(shù)大。其次是要求中間帶必須是半滿的，且應(yīng)有足夠的電子空穴對濃度，能夠滿足電子從價帶到中間帶的躍遷和中間帶到導(dǎo)帶躍遷的要求[3]。上述要求在實驗上是不容易滿足的，因此尋找滿足上述要求的中間帶材料是實現(xiàn)高效中間帶太陽電池的關(guān)鍵之一。

所謂的中間帶材料是在傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的價帶和導(dǎo)帶之間存在一個中間帶。由于中間帶的形成，電子會從價帶躍遷到中間帶，以及從中間帶躍遷到導(dǎo)帶，使低于帶隙能量的光子也能夠?qū)﹄姵氐墓怆娏鳟a(chǎn)生貢獻。中間帶材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 中間帶材料的結(jié)構(gòu)，顯示了光躍遷的可能性

中間帶通過一個零電子態(tài)密度把價帶和導(dǎo)帶隔離，使在帶間的“載流子弛豫”變的困難。這時在每個帶中的載流子的統(tǒng)計通過它們自己的準(zhǔn)費米能級描述，這樣可以認(rèn)為電池給出的電壓是通過電子-空穴準(zhǔn)費米能級分裂提供的，該電壓仍舊受高帶隙的限制而不受任何低帶隙的限制。在對中間帶方法的極限光電轉(zhuǎn)換效率的理論研究顯示：在1個太陽光照下極限效率為47%，而在全聚光條件下極限效率為63%[20]。

現(xiàn)代學(xué)徒制是近年來高職院校重視的一種教學(xué)模式。重慶商務(wù)職業(yè)學(xué)院是重慶市現(xiàn)代學(xué)徒制試點學(xué)校之一，基于現(xiàn)代學(xué)徒制的背景，我院對烹調(diào)工藝與營養(yǎng)專業(yè)實行了跟崗實習(xí)。烹調(diào)工藝與營養(yǎng)專業(yè)學(xué)生在大一時會在學(xué)校學(xué)習(xí)本專業(yè)的基礎(chǔ)課程，大二開始到餐飲企業(yè)進行為期一個月的跟崗實習(xí)，實習(xí)完后再回到學(xué)校完成大二其他課程。實習(xí)過程中，企業(yè)會安排老師對學(xué)生進行指導(dǎo)，一對一結(jié)成“師徒”。通過這一個月的跟崗實習(xí)，學(xué)生可以真正走進餐飲企業(yè)的廚房，參與后廚的生產(chǎn)活動，學(xué)習(xí)和掌握餐飲企業(yè)各個廚房崗位技能，實現(xiàn)學(xué)生與企業(yè)的“零距離”接觸[1]。

中間帶可通過尺寸為納米量級的半導(dǎo)體量子點鑲嵌在三維的寬帶隙半導(dǎo)體材料中來實現(xiàn)——量子點為勢阱，寬帶隙半導(dǎo)體為勢壘。通過調(diào)制阱寬可實現(xiàn)不同的量子限制效應(yīng)；改變能級分裂的距離，可以形成不同的帶隙寬度，量子點中間帶太陽電池的能級構(gòu)造如圖3所示[21]。

圖3 量子點中間帶太陽電池的能級構(gòu)造

量子點中的能級是量子化的，量子點的緊密排列使得勢壘區(qū)很窄，電子具有共有化運動特征，繼而形成子帶，該子帶就可能起中間帶的作用[22]。另外可以通過對勢壘區(qū)進行n型調(diào)制摻雜來滿足中間帶半滿的要求，調(diào)制摻雜的濃度大概等于量子點的濃度。有實驗[22]已觀察到量子點結(jié)構(gòu)中間帶，導(dǎo)帶及中間帶準(zhǔn)費米能級的分裂，這為量子點結(jié)構(gòu)應(yīng)用于中間帶太陽電池提供了實驗依據(jù)。盡管已經(jīng)取得了一些成果但還存在著許多有待解決的問題：量子點中間帶要求量子點的規(guī)則排列才能得到一致的能級，并且強的光吸收要求高的量子點密度，而量子的生長模式多為自組裝式，使得量子點的形狀和尺寸存在控制難度較大的缺點。

量子點太陽電池在理論上轉(zhuǎn)換效率很高而在實驗上并不理想，這是由于半導(dǎo)體帶隙間的能級的引入并沒有產(chǎn)生預(yù)期的非輻射復(fù)合中心，非但沒有提高反而降低了電池的性能。基本的解釋是為了提高效率，要求中間帶中電子波函數(shù)必須是非定域的，這和傳統(tǒng)的非輻射復(fù)合中心的產(chǎn)生是相悖的。在量子點結(jié)構(gòu)中導(dǎo)帶勢阱里受限制的電子態(tài)將引發(fā)中間帶，在中間帶中通過增加電子的態(tài)密度直到電子的波函數(shù)有重要的重疊(莫特轉(zhuǎn)變)[23]來實現(xiàn)電子波函數(shù)的非定域。

有關(guān)電池量子效率的實驗顯示[3]：量子點中間帶太陽電池在光子能量低于GaAs帶隙時顯示出一個延伸。由低于帶隙能量的光子激發(fā)產(chǎn)生的電流對電池總電流的貢獻是很小的——只有1%。如果是這樣的話，量子點提供的弱的吸收不能克服開路電壓的損失。開路電壓的下降可以部分的解釋為：由于價帶補償引起的量子點總帶隙的下降，但是也很可能是由于樣品中高的缺陷密度存在的影響，會降低載流子的壽命。然而與導(dǎo)帶和中間帶相關(guān)的準(zhǔn)費米能級分裂的存在，以及分析量子效率和光致發(fā)光測量的實驗數(shù)據(jù)得出的結(jié)論，都暗示著中間帶的方式能夠提高效率。

2 量子點太陽電池材料和器件的研究進展

目前已有不少研究者采用外延技術(shù)設(shè)計了不同材料不同結(jié)構(gòu)的量子點太陽電池。他們的實驗證明了量子點的多激子產(chǎn)生、中間帶效應(yīng)會提高量子點太陽電池電流密度和轉(zhuǎn)換效率。常見的三五族量子點材料有InAs/InGaAs，InAs/GaAs。

在2008年，Jateen Gandhi等人[24]研究了InAs量子點電池的多激子效應(yīng)。他們應(yīng)用MBE技術(shù)將10層InAs量子點層嵌入InGaAs(p型摻雜)/InAs/InGaAs(n型摻雜)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件中。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 MBE生長結(jié)構(gòu)

利用原子力顯微鏡可以看到量子點的大小約20～50 nm、高度約 2～5 nm、密度為 2×1010m－2，與沒有 InAs層的InGaAs(p型摻雜)/InGaAs(n型摻雜)器件相比，盡管開路電壓有所下降，但該器件在50W燈照明下光電流的密度有了20倍的增加。光電流數(shù)值的增加是由于多激子產(chǎn)生效應(yīng)。

同年，Seth M.Hubbard等人[25]采用應(yīng)變補償InAs量子點結(jié)構(gòu)提高了短路電流。他們采用有機金屬氣相外延OMVPE技術(shù)，在p-i-n GaAs太陽電池的i區(qū)嵌入5層InAs量子點作為應(yīng)力補償層。生長結(jié)束后采用高分辨X射線衍射(HRXRD)研究了應(yīng)變效應(yīng)。實驗數(shù)據(jù)顯示，因為采用了最佳的應(yīng)變厚度，平均的晶格應(yīng)變減小了，這樣和沒有補償?shù)钠骷啾龋档土税惦娏鳎岣吡宿D(zhuǎn)換效率。含有應(yīng)變的5層量子點太陽電池的短路電流增加了0.9mA/cm2。量子點效率測試證實該電流是由量子限制材料中的光生載流子產(chǎn)生的。顯然應(yīng)力補償改善了量子點器件的轉(zhuǎn)換效率。

在對InAs/GaAs量子點材料太陽電池的研究過程中，已經(jīng)有不少實驗證明增加量子點的層數(shù)可以增加量子點太陽電池的短路電流密度，也會影響電池的轉(zhuǎn)換效率。

Seth M.Hubbard等人[26]在2010年研究了通過在太陽電池結(jié)構(gòu)中嵌入InAs量子點來提高太陽電池的短路電流密度。他們在GaAs本征區(qū)分別生長層數(shù)為10、20、40、60和100層的一系列InAs量子點。研究發(fā)現(xiàn)生長量子點的層數(shù)增加到40層時電流密度(27mA/cm2)比沒有嵌入InAs量子點的GaAs電池(24.2mA/cm2)提高了2.8mA/cm2，此時的開路電壓為0.88 eV，直到60層時，開路電壓仍保持在0.88 eV。當(dāng)量子點的層數(shù)增加到100層時開路電壓在發(fā)射區(qū)衰退，量子點所貢獻的電流取決于GaAs子帶隙的吸收，電流密度保持在27 mA/cm2。該電流調(diào)節(jié)的數(shù)值如果應(yīng)用到三結(jié)電池中電流限制的中間結(jié)將會提高3%的效率。在1個太陽下，沒有嵌入量子點的GaAs電池轉(zhuǎn)換效率為14.1%，當(dāng)嵌入10層到60層量子點時，電池轉(zhuǎn)換效率保持在11.7%和12.4%之間，其中嵌入20層量子點時轉(zhuǎn)換效率為12.4%，而當(dāng)嵌入100層時電池的轉(zhuǎn)換效率降低到6.2%。他們還指出量子點的摻雜的重要性，除了恰當(dāng)能隙的存在，對于中間帶太陽電池還要求有半滿的電子帶，這是因為應(yīng)有足夠的電子與空穴濃度，能滿足電子從價帶到中間帶的躍遷和中間帶到導(dǎo)帶躍遷的要求，這樣通過中間帶的載流子的躍遷才可能是順暢的、充分的和金屬性的。因為費米能級更接近于點材料的導(dǎo)帶，基于此研究表明點材料應(yīng)該是強n-型摻雜的，而類似的壘材料應(yīng)更接近于本征材料。

Seth Hubbard和Ryne Raffaelle[2]為了提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，在2010年也構(gòu)造了InAs/GaAs量子點提高太陽電池，并證實了增加量子點的層數(shù)能提高量子點太陽電池的外量子效率，也會影響電池的轉(zhuǎn)換效率。他們將InAs量子點嵌入到GaAs p-i-n太陽電池的中間區(qū)，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 量子點太陽電池的構(gòu)造

圖6描述了常規(guī)的GaAs基底和5～20層量子點樣品的外量子效率。由圖中可以看到所有的3個量子點樣品在波長大于帶邊時響應(yīng)都會增加。

圖6 5～20層量子點樣品與常規(guī)GaAs基底的外量子效率

上述電池短路電流的一部分是由和量子點相關(guān)的吸收產(chǎn)生的，由圖可見增加層的數(shù)量會增加量子點相關(guān)躍遷的外量子效率。在波長為909 nm時，隨著把量子點層數(shù)從2增加到20，外量子效率會從2.5%增加到9.2%，這就清楚的驗證了增加量子點的層數(shù)，會連續(xù)地增加短路電流。在1個太陽光照下(AM1.5 g)常規(guī)的GaAs基底電池的轉(zhuǎn)換效率為13.4%；嵌入5層量子點的電池轉(zhuǎn)換效率為11.2%；嵌入10層量子點的電池轉(zhuǎn)換效率為13.1%；嵌入20層時轉(zhuǎn)化效率為12.8%。由此可見嵌入量子點的層數(shù)影響著電池的轉(zhuǎn)換效率。在他們的實驗中，量子點的應(yīng)用極大地提高了短路電流，這是通過納米粒子貢獻的光生電流的直接結(jié)果。隨著量子點數(shù)量 (或者說體積)的增加，該電池能夠吸收和GaAs亞帶隙對應(yīng)的的大部分太陽光譜。他們設(shè)計的這種量子點太陽電池極大的提高了短路電流并且使得開路電壓只有極小的下降。

高密度、尺寸均勻的量子點材料的獲得是提高量子點太陽電池轉(zhuǎn)換效率的前提，為了有效控制量子點的尺寸和密度，以獲得較高質(zhì)量量子點，有研究者把應(yīng)變補償技術(shù)應(yīng)用到量子點材料制備過程中。

2008年，D.A lonso-álvarez等人[27]通過引入 GaP應(yīng)力補償來改進InAs/GaAs量子點太陽電池器件的性能。他們分別在GaAs(001)襯底上淀積10層、50層InAs量子點，應(yīng)用兩個GaP單層作為應(yīng)力補償。實驗結(jié)果表明兩個樣品的光學(xué)質(zhì)量都很好。光電流測試顯示光的吸收達到了1.2μm，并伴隨著藍光響應(yīng)的減少。

2010年，為了得到高密度、尺寸均勻的高質(zhì)量的InAs/GaNAs量子點，Ayam i Takata等人[28]應(yīng)用應(yīng)變補償技術(shù)在GaAs襯底上生長了20、25、100層InAs/GaNAs疊層，構(gòu)造了量子點中間帶太陽電池。結(jié)構(gòu)圖如圖7。

圖7 多層InAs/GaNAs應(yīng)變量子點太陽電池的結(jié)構(gòu)

為了研究樣品的結(jié)構(gòu)特點，他們應(yīng)用了AFM、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、光致發(fā)光光譜測試(PL)等分析檢測技術(shù)。有100層量子點疊層的樣品的AFM圖顯示：量子點總密度高達4.2×1012cm－2，且尺寸均勻性為10.2%。通過STEM測試結(jié)果顯示，他們獲得了沒有耦合和缺陷的高質(zhì)量量子點。實驗還指出短路電流密度會隨著量子點層數(shù)的增加而增加，但是層數(shù)增加到100層時，外量子效率在短波區(qū)會有很大程度的下降，因此需要利用反轉(zhuǎn)偏壓來抽取在100層量子點太陽電池中產(chǎn)生的光生載流子。

同年，Yasushi Shoji等人[29]把GaNAs應(yīng)變補償層插入到InGaAs/GaAs量子點結(jié)構(gòu)中，在GaAs(311)B襯底上構(gòu)造了多層InGaAs/GaNAs量子點太陽電池結(jié)構(gòu)(如圖8所示[29])。

該量子點太陽電池由10對應(yīng)變補償?shù)腎nGaAs/GaNAs結(jié)構(gòu)組成，量子點的總密度為1012cm－2，其生長溫度為460℃。該量子點結(jié)構(gòu)太陽電池的短路電流密度為18.7mA/cm2。這比在GaAs(001)襯底上生長的10對InAs/GaNAs應(yīng)變補償量子點太陽電池的電流密度(17.6mA/cm2)要高。對比如圖9[29]所示。

圖8 生長在GaAs(311)B襯底上的多層InGaAs/GaNAs量子點太陽電池結(jié)構(gòu)

圖9 外量子效率對比

也有研究者證明Sb調(diào)節(jié)生長方式是一種構(gòu)造超高點密度量子點結(jié)構(gòu)太陽電池的可行方式。Toshihiko Inaj等人[30]研究了在GaAsSb/GaAs(001)緩沖層上生長InAs量子點超晶格太陽電池。他們應(yīng)用固態(tài)源MBE技術(shù)，以SK生長模式生長InAs量子點,量子點的密度達到4×1011cm－2，盡管量子的密度很高但在GaAsSb表面，相鄰量子點的聚合被有效的抑制了。Sb作為表面活性劑，增加了In原子在表面的擴散而形成了高密度量子點。由于PL譜測量的結(jié)果顯示譜峰向高能端移動，代表激子能量在高能端增加。這就預(yù)示著這些超高的量子點密度形成了In原子平面量子點結(jié)構(gòu)，也說明了Sb調(diào)節(jié)生長方式是一種構(gòu)造超高點密度量子點結(jié)構(gòu)太陽電池的可行方式。

在光伏會議上，“提高III-V族光電器件的效率”成為一個重要問題的部分原因是為了增加人們對聚光光伏系統(tǒng)(CPV)的研究興趣，最近也有不少研究者研究了量子點太陽電池在聚光條件下的效應(yīng)。

為了核實在高聚光條件下量子點太陽電池吸收光譜的提高，美國國家可再生能源實驗室(NPRL)[2]研究了在高強度照射下有20層量子點的太陽電池。在440個太陽光照下，有20層量子點的太陽電池產(chǎn)生了最大的短路電流(7.53 A/cm2)，這代表在相同聚光條件下相對于參考電池而言量子點太陽電池的電流有11%的增加。在400個太陽光照下，量子點提高太陽電池顯示了近18%的效率，該效率和常規(guī)GaAs電池對比有1%的提高。常規(guī)GaAs電池和量子點提高太陽電池 (AM1.5 d)功率效率和短路電流密度的對比如圖10[2]所示。

圖10 (AM1.5 d)功率效率和短路電流密度的對比

3 總結(jié)與展望

基于納米材料的能帶技術(shù)為在地球和地球外的應(yīng)用提供了很大的空間。在量子點太陽電池領(lǐng)域里，有關(guān)效率提高的實驗證明：可以通過應(yīng)用納米材料技術(shù)突破效率限制。量子點的量子效應(yīng)大大提高了俄歇過程，有效的改進了形成電子空穴對的動力學(xué)弛豫，同時也提高了多激子產(chǎn)生的效率，因此可以達到提高光電流的目的。量子點的多激子產(chǎn)生效應(yīng)已有實驗證實，以此為基礎(chǔ)構(gòu)造的新型太陽電池確實能夠提高光電流。另外量子點也為研究中間帶太陽電池的工作原理提供了一個合適的平臺。盡管部分效應(yīng)已經(jīng)被證實(低于帶隙能量的光子能夠產(chǎn)生光電流和準(zhǔn)費米能級分裂的存在)但是要在沒有電壓下降的情況下提高光電流的目標(biāo)還是沒有很好的達到，這可能是由于量子點提供弱的光吸收的影響。于是下一步的目標(biāo)是通過同時增加量子點層的數(shù)量和研究新的多層器件設(shè)計來增加量子點的吸收截面。為了能提高轉(zhuǎn)換效率要求有密度高，尺寸均勻的量子點層，因此在材料制備技術(shù)方面仍需更要深一步的探究。

對于衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用，基于納米材料的器件在減輕重量和提高效率方面比傳統(tǒng)的技術(shù)有更重要的優(yōu)勢。新型的納米器件包括量子點太陽電池和光探測器，然而在這些器件研制時，對于輻射效應(yīng)人們并沒有進行詳細(xì)的研究，而且輻射效應(yīng)的模型工具也還沒有被應(yīng)用，而在空間輻射環(huán)境下，所有的太陽電池都會出現(xiàn)退化問題。另外量子點太陽能電池的效率還與溫度有關(guān)，因此還要在這些電池模型的輻射和溫度效應(yīng)方面繼續(xù)努力。

基于量子點的太陽電池理論上能夠增加光轉(zhuǎn)換效率達到60%，而且它通過利用光生熱載流子可以產(chǎn)生更高的電壓和更高的光電流。如果在微觀世界中使用納米技術(shù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對電子的嚴(yán)密控制，就有希望大幅度提升性能。預(yù)計將于2020年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的這一高新技術(shù)，其潛力還處于深不可測的階段。

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