硅量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池制備中的應(yīng)用

劉青松 萬(wàn)尤寶 張建新

【摘 要】闡述了硅量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的發(fā)展，分析了硅量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的的設(shè)計(jì)理論，介紹了硅量子電池的制備工藝與應(yīng)用，設(shè)計(jì)硅量子點(diǎn)太陽(yáng)電池，制作了全硅高效太陽(yáng)電池原型器件，表征太陽(yáng)電池的光電性能參數(shù)，建立基于硅量子點(diǎn)的全硅高效太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)理論模型和制作工藝。

【關(guān)鍵詞】硅量子點(diǎn)；太陽(yáng)能電池；制備工藝

太陽(yáng)能電池是一種通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。按其材料的不同，太陽(yáng)能電池可以分為三類(lèi)：晶硅太陽(yáng)電池；薄膜太陽(yáng)能電池；新型高效光化學(xué)太陽(yáng)電池 。

目前在已應(yīng)用中的太陽(yáng)能電池，晶硅電池在其制備技術(shù)水平、光電轉(zhuǎn)化效率方面能夠北市場(chǎng)接受，因此，晶硅電池在市場(chǎng)中占有絕對(duì)的份額。 新型太陽(yáng)能電池，在實(shí)驗(yàn)室中不斷地取得重大的技術(shù)突破，發(fā)展迅速，應(yīng)用前景廣泛。硅納米材料具有靈活可調(diào)的光學(xué)帶隙、極強(qiáng)的光學(xué)吸收性、明顯的多激子效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，制備的太陽(yáng)電池具有效率高、成本低、薄膜結(jié)構(gòu)、無(wú)毒等特點(diǎn)，因而硅量子點(diǎn)材料可成為理想的太陽(yáng)電池材料，可以用于制備高效的太陽(yáng)電池。

1 量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的物理機(jī)理

人們針對(duì)太陽(yáng)能電池存在的能耗高、光電轉(zhuǎn)換率低等缺點(diǎn)，人們提出了一些解決方案：如：增加帶隙數(shù)量，制作多帶隙疊層方法；熱載流子俘獲法；高能光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)等等。目前，方案增加帶隙數(shù)量，制作多帶隙疊層太陽(yáng)能電池已得到廣泛的應(yīng)用。

硅量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池通過(guò)以下兩個(gè)效應(yīng)可以有效的增加光電轉(zhuǎn)換效率：（1）單光子激發(fā)產(chǎn)生多激子；（2）在帶隙里形成中間帶，可以有多個(gè)帶隙起作用，并產(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)中的能級(jí)量子化。能級(jí)量子化還會(huì)產(chǎn)生減緩熱電子-空穴對(duì)的冷卻；電荷載流子之間的俄歇復(fù)合過(guò)程和庫(kù)侖耦合得到提高；并且對(duì)于三維限制的載流子，躍遷過(guò)程不必滿足動(dòng)量守恒。 中間帶電池能夠吸收和捕獲低于帶隙能量的光子，使太陽(yáng)能電池可以提高光電流。

在中間帶太陽(yáng)能電池需要解決的基本問(wèn)題中，光的有效吸收最關(guān)鍵的問(wèn)題。為了使光子有最大能量輸出的同時(shí)使載流子的熱損失最小，最寬的能隙應(yīng)首先吸收具有一定能量的光子，同時(shí)要求吸收系數(shù)從大到小依次為價(jià)帶到導(dǎo)帶，價(jià)帶到中間帶，中間帶到導(dǎo)帶，其次要求中間帶必須是半滿的，且電子空穴對(duì)濃度，能夠滿足電子躍遷的要求，即價(jià)帶到中間帶和中間帶到導(dǎo)帶的躍遷。

2 量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池材料及其制備研究

許多科研實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同材料不同結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，證明了量子點(diǎn)的多激子產(chǎn)生、中間帶效應(yīng)會(huì)提高量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池電流密度和轉(zhuǎn)換效率。常見(jiàn)的量子點(diǎn)材料有InAs/InGaAs，InAs/GaAs。有研究者證明調(diào)節(jié)生長(zhǎng)方式是一種構(gòu)造超高密度量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的可行行為。

為了核實(shí)在高聚光條件下量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池吸收光譜的提高，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室研究了在高強(qiáng)度照射下比較了有20層量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池和常規(guī)GaAs電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率， 提高是很明顯的。

在文獻(xiàn)[2]中制備的CdHgTe和CdTe量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)良。文獻(xiàn)[3]用間斷沉積法制備了InGaAs量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池。

目前量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)常用的是P-i-n結(jié)構(gòu)，如在非晶Si太陽(yáng)能電池最早得到應(yīng)用，其主要目的是利用p-n結(jié)自建電場(chǎng)對(duì)光生載流子提高收集效率。Seth Hubbard 和Ryne Raffaelle為了提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，構(gòu)造了InAs/GaAs 量子點(diǎn)提高太陽(yáng)能電池，并證實(shí)了增加量子點(diǎn)的層數(shù)能提高量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的外量子效率，也會(huì)影響電池的轉(zhuǎn)換效率。他們將InAs量子點(diǎn)嵌入到GaAs的p-i-n 太陽(yáng)能電池的中間， Takata等人利用應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)在GaAs襯底上生長(zhǎng)20、25、100層InAs/GaNAs疊層。

目前，分散性硅納米晶顆粒的制備方法主要有硅烷法、低溫等離子體法、激光轟擊硅靶法以及化學(xué)法等。此外，通過(guò)對(duì)富硅化物（如氧化硅、碳化硅、氮化硅）薄膜進(jìn)行高溫快速退火，促使其發(fā)生相分離和結(jié)晶，可以制備出鑲嵌在硅化物中的硅納米晶薄膜。

通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（ PECVD） ，反應(yīng)濺射法輪流沉積富硅氧化物和硅氧化物， 經(jīng)過(guò)富硅層退火后制備硅量子點(diǎn)。富硅氧化物阻礙硅原子擴(kuò)散是以障礙物的形式， 因此過(guò)量的硅就在退火過(guò)程中以納米晶的形式被凝析出來(lái)， PECVD制備出的硅量子點(diǎn)的平均線度一般在 3-10 納米。在文獻(xiàn)中也提到了可在在富硅氧化物中凝析出硅量子點(diǎn)。

3 小結(jié)與展望

硅量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池有著良好的特性與優(yōu)點(diǎn)，其中量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池距離商業(yè)化應(yīng)用最為接近，但真正意義上的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池—基于多激子產(chǎn)生效應(yīng)設(shè)計(jì)和制作的太陽(yáng)能電池，還有待深入研究。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域還有很多有待研究的工作，如光電轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究，硅量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的低溫生長(zhǎng)技術(shù)。研究低溫 PECVD 法制備硅量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的工藝參數(shù)，形成硅量子點(diǎn)太陽(yáng)電池生長(zhǎng)方案，硅量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的模塊化技術(shù)研究。研究基于模塊化設(shè)計(jì)原理的便攜式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)模塊化方法及其裝置制備技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于硅量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的便攜式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)等。

基金項(xiàng)目：嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014AY11016）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜禮華， 曾祥斌， 金韋利， 張笑. 硅量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用， 激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2010.

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作者簡(jiǎn)介：

劉青松（出生年1965—），男、副教授，從事電氣工程、新能源光電子材料研究。

（作者單位：嘉興學(xué)院）