QDs量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池與器件的優(yōu)化和光學(xué)應(yīng)用

摘 要：QDS量子點(diǎn)物質(zhì)在太陽(yáng)光的可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有很好的發(fā)光反應(yīng)，與其他的電致發(fā)光器件材料相比，納米晶量子點(diǎn)具有很多潛在優(yōu)勢(shì)，例如熒光量子率高，發(fā)射光譜窄，發(fā)射波長(zhǎng)方便調(diào)整，化學(xué)穩(wěn)定性能好等優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)性能，使其成為很具有研究方向的電致發(fā)光材料，而利用這些性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)使量子點(diǎn)物質(zhì)在光伏電池和電致發(fā)光器件方面具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：量子點(diǎn) 電致發(fā)光 紅綠藍(lán)三基色調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TB383.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（c）-0065-01

量子點(diǎn)（簡(jiǎn)稱QDs）是指直徑等于或小于激子玻爾直徑半導(dǎo)體納米顆粒，其顆粒尺寸在10 nm以內(nèi)，電子在晶體空間結(jié)構(gòu)上的運(yùn)動(dòng)都受到限制，因此，屬于一種空維度的半導(dǎo)體納米材料。量子點(diǎn)在具有相同晶體規(guī)則原子排列的同時(shí)，又具有很多其他的特性效應(yīng)，如表面效應(yīng)、定域效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)，這使得量子點(diǎn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有固體物理量子化，促成了微觀與宏觀在特性上的聯(lián)系。Ⅱ-Ⅵ族量子點(diǎn)則是由第二族元素和第六主族元素化合后形成的量子點(diǎn)，因具有不同其他物質(zhì)的可見(jiàn)光區(qū)熒光特性，目前已廣泛應(yīng)用于光伏電池、半導(dǎo)體發(fā)光材料等領(lǐng)域[1]。

1 量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的物理機(jī)理

半導(dǎo)體量子點(diǎn)太陽(yáng)電池作為新一代太陽(yáng)電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它通過(guò)以下兩個(gè)效應(yīng)可以顯著提高其光電轉(zhuǎn)換效率：首先是來(lái)自具有一定能量的光子激發(fā)產(chǎn)生較多的電子-空穴對(duì)；第二個(gè)效應(yīng)是在帶隙里形成過(guò)渡帶，這樣可以與相鄰或者相接的帶隙有一定的聯(lián)系，進(jìn)而來(lái)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這兩個(gè)效應(yīng)的產(chǎn)生是因?yàn)榱孔狱c(diǎn)中的能帶能級(jí)物理化。當(dāng)一般的太陽(yáng)能電池中由于熱激發(fā)或者吸收光后產(chǎn)生的能量激發(fā)出的電子并不能滿足充足的光伏效應(yīng)，這是因?yàn)橹挥性谖盏墓庾幽芰窟_(dá)到太陽(yáng)光光譜的某些區(qū)域能量閥值才會(huì)產(chǎn)生有作用的電離反應(yīng)。在大多數(shù)半導(dǎo)體中用于電子對(duì)分離的能量超過(guò)了能量守恒的原則，但是在晶體內(nèi)部要滿足能量守恒和動(dòng)量守恒，而且分離的幾率必須和由晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子散射引起的弛豫幾率接近。

2 量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的過(guò)渡帶結(jié)構(gòu)

過(guò)渡帶太陽(yáng)電池能夠捕獲小于帶隙間能量差距的光子量，使太陽(yáng)能電池在不改變其短路電流的情況下增大其開(kāi)路電壓，因此它是目前新一代太陽(yáng)電池研究中最具研究方向性的。在過(guò)渡帶太陽(yáng)電池的研究方向中，最具代表性的問(wèn)題是有關(guān)于光的吸收和接收。我們希望寬能級(jí)的能隙能夠吸收具有能量的光子，為了使被吸收的光子輸出的并確保熱激發(fā)電子對(duì)熱損耗達(dá)到最小值，同時(shí)要求不同帶隙間的的光吸收系數(shù)不同，比如價(jià)帶到導(dǎo)帶的吸收系數(shù)比價(jià)帶到過(guò)渡帶的吸收系數(shù)大，其次滿足過(guò)渡帶必須不能夠是滿帶電子密度狀態(tài)，但是又不能夠使激子對(duì)的能量密度太低，這樣就能夠滿足電子激發(fā)的最基本條件。過(guò)渡帶材料的結(jié)構(gòu)如圖1。過(guò)渡帶通過(guò)一個(gè)沒(méi)有電子密度的帶將導(dǎo)帶價(jià)帶區(qū)分開(kāi)，這樣使在帶間的載流子分離變的很困難，這樣可以認(rèn)為電池的開(kāi)路電壓是通過(guò)激子對(duì)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分離提供的，當(dāng)然開(kāi)路電壓是與高帶隙有關(guān)，這時(shí)在每個(gè)帶中的每一對(duì)激子狀態(tài)通過(guò)它們的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來(lái)描述。在對(duì)過(guò)渡帶方法的強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換理論研究中顯示：在1個(gè)有限的太陽(yáng)光照下的效率最大值大約為45%，而在全聚光條件下效率大約為62%。過(guò)渡帶電池的能級(jí)可通過(guò)納米量級(jí)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)激發(fā)在相對(duì)寬帶隙半導(dǎo)體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)——量子點(diǎn)勢(shì)阱。

3 量子點(diǎn)電致發(fā)光器件的研究

（1）量子點(diǎn)的光學(xué)特性

量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)除了與材料的組分及類型有關(guān)外，還與自身顆粒尺寸大小相關(guān)，顆粒尺寸越大，發(fā)射光波長(zhǎng)越大。通過(guò)改變Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的化學(xué)組成和尺寸大小可以使其亮度發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光范圍，達(dá)到紅綠藍(lán)顏色的漸變效果。因此，可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸間接可以影響其結(jié)構(gòu)中能隙的寬度，而能隙寬度決定了量子點(diǎn)發(fā)射光波的最要參數(shù)。在量子點(diǎn)的制備過(guò)程中，我們可以人為的改變和調(diào)節(jié)空間溫度，轉(zhuǎn)速，以及物質(zhì)濃度等條件來(lái)改變和調(diào)節(jié)納米粒子生長(zhǎng)條件，這樣可以得到不同量子點(diǎn)的粒徑梯度，即能夠制備出發(fā)射不同波長(zhǎng)的光學(xué)量子點(diǎn)物質(zhì)[2]。

量子點(diǎn)具有較寬較連續(xù)的受激發(fā)光范圍，而量子點(diǎn)的發(fā)射光譜峰值較窄，可以通過(guò)小于其發(fā)射波長(zhǎng)的任意波長(zhǎng)的光波來(lái)照射進(jìn)而激發(fā)出量子點(diǎn)，這樣使得量子點(diǎn)物質(zhì)單色性能較好。Ⅱ-Ⅵ族量子點(diǎn)發(fā)射光譜可以覆蓋整個(gè)太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光譜區(qū)，發(fā)射光譜幾乎不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，而在實(shí)驗(yàn)中可以使用一種波長(zhǎng)的光波同時(shí)激發(fā)不同的參數(shù)的量子點(diǎn)物質(zhì)。因此，通過(guò)這一特性，可以同時(shí)標(biāo)記不同的結(jié)構(gòu)成分，取得不同的結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)而完成很多熒光檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)。

4 II-VI族半導(dǎo)體納米晶量子點(diǎn)的合成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

制備基于陽(yáng)極-空穴輔助層-電子輔助層-量子點(diǎn)發(fā)光層-空穴阻擋層-電子傳輸層-陰極結(jié)構(gòu)的多層電致發(fā)光器件。陽(yáng)極選用ITO玻璃（當(dāng)然FTO也是可以的）；空穴輔助層選用 TPD 物質(zhì)，電子輔助層可以采用敏感材料通過(guò)溶液旋涂得到；而量子點(diǎn)發(fā)光層采用無(wú)氧條件下同樣對(duì)基片旋涂的方法制備；電子傳輸層可以選用Alq3物質(zhì)，通過(guò)真空蒸鍍制備完成；陰極選用Al，Ca/Al等同樣通過(guò)真空蒸鍍制備。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，量子點(diǎn)作為電致發(fā)光器件時(shí)由于其表面容易被空氣氧化而降低其發(fā)光的亮度和強(qiáng)度性能，需要對(duì)制備成功的電致發(fā)光器件進(jìn)行優(yōu)化和改善，尤其對(duì)于工藝中出現(xiàn)的物理甩膜和蒸鍍通過(guò)不斷改善分析得到最優(yōu)條件。但是Ⅱ-Ⅵ族量子點(diǎn)電池和器件具有反應(yīng)速率快、選擇性較高、易于制備和檢測(cè)等特點(diǎn)，使其在各個(gè)化學(xué)分析領(lǐng)域具有一定的研究潛能。

量子點(diǎn)的光學(xué)應(yīng)用還存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題值得進(jìn)一步研究摸索：（1）制備熒光產(chǎn)率高的兼容性較好的量子點(diǎn)，需改進(jìn)量子點(diǎn)的表面層優(yōu)化工藝，也會(huì)方便提高與生物的相似相容性；（2）量子點(diǎn)具有不穩(wěn)定性，這樣的問(wèn)題主要由于存在于各類不同的介質(zhì)中時(shí)，大分子物質(zhì)和物理性吸附會(huì)影響其發(fā)光性能，所以調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的物理特性對(duì)改善發(fā)光性能有很大的作用；（3）研究具備生物特性的量子點(diǎn)在作為生物熒光標(biāo)記方面，尤其是對(duì)于生物檢測(cè)十分有研究潛力的可見(jiàn)光之外的區(qū)域，具有很重要的意義。