光伏材料物理-量子点太阳能电池2

量子点太阳能电池•量子点的概念量子点(QuantumDots一QDs)是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。是指颗粒半径(或三个维度的尺寸)小于材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受到局限，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连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。如果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由运动，这样的系统我们称之为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则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。能态密度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E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。Quantumwell:particleconfinedbya1-Dpotentialwell,butfreeinother2-D,quantumstateslabeledbyn,kxandky:)(2),,(222222yxyxkkanmkknEachnrepresentsabranchorsubbandQuantumwire:particleconfinedby2-Dpotentialwells,freeonlyin1-D(1-Dfreeparticle),quantumstateslabeledbyn1,n2andkz:)(2),,(222222212221zzkbnanmknnQuantumdot:particleconfinedbypotentialwellsin3-D,quantumstateslabeledn1,n2andn3:)(2),,(22322222122321cnbnanmnnnAlldiscretelevels,likeinatom量子点的制备方法自组成法(self-assemblymethod)：采用分子束外延或化学气相沉积过程，并利用晶格不匹配的原理，使量子点在特定基材表面自聚生长，可大量生产排列规则的量子点。在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点的STM影像量子点的制备方法微影蚀刻法以光束或电子束直接在基材上蚀刻制作出所要之图案，由于相当费时因而无法大量生产。以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点之SEM影像，水平线条约0.5微米量子点的制备方法小结合成方法Top-downBottom-up晶体表面刻蚀组成器件化学制备生物体系标记波长范围宽，发射峰尖锐，发射波长可以通过纳米粒子粒径调节，易于自组织RelaxingElectronEmitsFixedRadiationElectronsrelaxbacktothetopedgeofthevalencebandfromthebottomedgeoftheconductionband.Thiscausesthefixedemissionpeakofsemiconductors.BulkSemiconductors-AFixedRangeofEnergiesQuantumDots-QuantumConfinementIfthesizeofasemiconductorcrystalbecoessmallenoughthatitapproachesthesizeofthematerial'sExcitonBohrRadius.Theelectronenergylevelscannolongerbetreatedascontinuous-treatedasdiscrete,meaningthatthereisasmallandfiniteseparationbetweenenergylevels.Thissituationofdiscreteenergylevelsiscalledquantumconfinement,andundertheseconditionsConceptofQuantumConfinementEffect:CoulombenergyParticle-in-a-SPquantumlocalizationenergyBohrexcitonradiusRemh*me*REr022224786.1]11[2-D]11[4202rBmh*me*eaSizeofparticleBohrexcitonradiusQuantumConfinementeffectExcitonenergyEg=Eg.bulk+DEForsemiconductors,aBisinafewnmtoafew10-nmExcitons:electronandholeboundtogetherlikeahydrogenatomHamiltonianofexcitonher02he2h*h22e*e2rrε4πe)V(r)V(r2m2mH----ATunableBandgapAccordingtosizeofquantumdotsemiconductorwillmeasurablyalterthebandgapenergy–atunablebandgap!ThisispossibleaslongasthesizeofthedotisclosetoorbelowtheExcitonBohrRadius.ExcitonBohrDiameterSizeDependentColorQuantumdots,thesizeofthebandgapiscontrolledsimplybyadjustingthesizeofthedot.Becausetheemissionfrequencyofadotisdependentonthebandgap,itisthereforepossibletocontroltheoutputwavelengthofadotRef.)Multiplecolorsb)Photostabilityc)Wideabsorptionandnarrowemissiond)HighquantumyieldQuantumYield≥60~70%Singlesourceexcitation(Tellurium)传统染料和量子点的区别(A)Excitation(dashed)andfluorescence(solid)spectraoffluorescein;(B)Atypicalwater-solublenanocrystalsampleinPBS传统荧光素量子点激发光-虚线；发射光-实线；半峰高宽度：67nmvs.32nm；10%峰高宽度：100nmvs.67nm；量子点光谱优点：无红外延伸，连续、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应用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：单个波长可激发所有的量子点，而不同染料分子的荧光探针需多个激发波长。应用范围广：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，达到同时检测多种指标的要求。抗光致漂白性安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍，便于长期跟踪和保存结果量子点在生物上的应用QD可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，如在QD表面连接上巯基乙酸（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，通过光致发光检测出QD，从而使生物分子识别一些特定的物质。SchematicofaZnS－CappedCdSeQDthatiscovalentlycoupledtoprotein量子点在生物上的应用量子点在生物上的应用（传感器）生物芯片技术：量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海量信息进行分析的要求：将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸（颜色）的量子点，被照射后开始发光，经棱镜折射后传出，形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应用前景。利用量子点观察细胞分裂过程在生物检测中的其它应用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，成功地到达了特定的细胞结构；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系紧密的蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞结构中去；研究人员正致力于量子点在神经递质研究（了解神经信号传导的研究）中的应用。他们将量子点标记在一种重要的神经递质5-羟色胺上,然后观察了转运蛋白是怎样推动神经递质在将信号通过相邻神经细胞的间隙传递后，又回到细胞中的过程；可以应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41•Thequantumdotbandgapistunableandcanbeusedtocreateintermediatebandgaps.Themaximumtheoreticalefficiencyofthesolarcellisashighas63.2%withthismethod.（三）量子点中间能带太阳能电池量子点中间带材料可通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材料中来实现量子点为势阱，宽带隙半导体为势垒。（1）量子点的紧密排列使得势垒区很窄，电子具有共有化运动特征，继而形成子带；（2）可以通过对势垒区进行型调制掺杂来满足中间带半满的要求，调制掺杂的浓度大概等于量子点的浓度；(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)要求中间带必须是半满的，且应有足够的电子空穴密度，能够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)要求量子点具有合适的尺寸、形状以及组分，以获得位于价带和导带中间合适位置的局域能级；(4)要求量子点间形成紧密的三维周期排列;(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基本要求（四）量子点多激子太阳能电池太阳光谱涵盖的能量约在0.3~3eV之间，比大部分半导体能隙还大，因此当阳光照射在这些材料时会产生能量比能隙高的电子或电洞，称为热载子(hotcarriers)。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形式释出，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，是发展光伏元件的重要议题。由于量子局域效应(quantumconfinementeffect)之赐，量子点能带内的能阶(intra-bandenergylevels)有较大的间距，与声子间的交互作用较小，因此能克服这个问题。（五）量子点染料敏化太阳能电池（1）在包覆剂TOP或TOPO的作用下合成单分散的量子点悬浮液；（2）将光阳极材料浸入双功能分子连接剂（常用COOH-R-SH）中，连接剂的COOH-将与TiO2表面的-OH基产生化学连接；（3）将修饰后的光阳极材料浸入量子点溶液中几小时或几天，使量子点与光阳极表面的功能基团-SH产生化学吸附作用。至此完成单分散量子点与光阳极材料的化学吸附不采用分子连接剂，直接将制备的单分散量子点沉积到光阳极材料表面多分散量子点用巯基苯（C6H5SH）衍生物进行修饰。巯基苯起着分子偶极子的作用基于QDSC的三结叠层太阳能电池