光伏材料物理-量子點(diǎn)太陽能電池2ppt課件

1、量子點(diǎn)太陽能電池量子點(diǎn)的概念量子點(diǎn)(QuantumDots一QDs)是準(zhǔn)零維的納米資料，由少量的原子所構(gòu)成。是指顆粒半徑(或三個(gè)維度的尺寸)小于資料激子玻爾半徑的金屬或半導(dǎo)體顆粒，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都遭到局限，所以量子局限效應(yīng)特別顯著。由于量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不延續(xù)電子能級(jí)構(gòu)造，因此量子點(diǎn)又被稱為“人造原子。假設(shè)將某一個(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長，此時(shí)電子只能在另外兩個(gè)維度所構(gòu)成的二維空間中自在運(yùn)動(dòng)，這樣的系統(tǒng)我們稱之為量子阱；假設(shè)我們?cè)賹⒘硪粋€(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長，那么電子只能在一維方向上運(yùn)動(dòng)，我們稱之為量子線；當(dāng)三個(gè)維度的尺寸都縮到一個(gè)波長以下時(shí)，就成為量子點(diǎn)了。 能

2、態(tài)密度能態(tài)密度 對(duì)于不同維度的電子體系，許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)來對(duì)于不同維度的電子體系，許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)來源于它們的態(tài)密度。態(tài)密度是指單位體積在能量源于它們的態(tài)密度。態(tài)密度是指單位體積在能量E附近單位能量間隔內(nèi)的電子態(tài)數(shù)。每一個(gè)量子態(tài)可附近單位能量間隔內(nèi)的電子態(tài)數(shù)。每一個(gè)量子態(tài)可被自旋向上和向下的兩個(gè)電子所占據(jù)。被自旋向上和向下的兩個(gè)電子所占據(jù)。Quantum well: particle confined by a 1-D potential well, but free in other 2-D, quantum states labeled by n, kx and ky: )(2),(2

3、22222yxyxkkanmkknEach n represents a branch or subbandQuantum wire: particle confined by 2-D potential wells, free only in 1-D (1-D free particle), quantum states labeled by n1, n2 and kz: )(2),(222222212221zzkbnanmknnQuantum dot: particle confined by potential wells in 3-D, quantum states labeled n

4、1, n2 and n3:)(2),(22322222122321cnbnanmnnnAll discrete levels, like in atom量子點(diǎn)的制備方法量子點(diǎn)的制備方法自組成法(self-assembly method)：采用分子束外延或化學(xué)氣相堆積過程，并利用晶格不匹配的原理，使量子點(diǎn)在特定基材外表自聚生長，可大量消費(fèi)陳列規(guī)那么的量子點(diǎn)。在在GaAs基材上以自組成法生長基材上以自組成法生長 InAs量子點(diǎn)的量子點(diǎn)的STM影像影像 量子點(diǎn)的制備方法量子點(diǎn)的制備方法微影蝕刻法以光束或電子束直接在基材上蝕刻制造出所要之圖案，由于相當(dāng)費(fèi)時(shí)因此無法大量消費(fèi)。以以GaAs基材蝕刻窄圓柱基

5、材蝕刻窄圓柱式量子點(diǎn)之式量子點(diǎn)之SEM影像，影像，程度線條約程度線條約0.5微米微米 量子點(diǎn)的制備方法小結(jié)量子點(diǎn)的制備方法小結(jié)合合成成方方法法Top-downBottom-up晶體外表晶體外表刻蝕刻蝕組成器組成器件件化學(xué)制化學(xué)制備備生物體系生物體系標(biāo)志標(biāo)志波長范圍寬，發(fā)射峰鋒利，發(fā)射波長可以經(jīng)過納米粒子粒徑調(diào)理，易于自組織Relaxing Electron Emits Fixed Radiation Electrons relax back to the top edge of the valence band from the bottom edge of the conduction ba

6、nd. This causes the fixed emission peak of semiconductors.Bulk Semiconductors - A Fixed Range of Energies Quantum Dots - Quantum Confinement If the size of a semiconductor crystal becoes small enough that it approaches the size of the materials Exciton Bohr Radius. The electron energy levels can no

7、longer be treated as continuous - treated as discrete, meaning that there is a small and finite separation between energy levels. This situation of discrete energy levels is called quantum confinement, and under these conditions Concept of Quantum Confinement Effect :Coulomb energyParticle-in-a-SP q

8、uantum localization energy Bohr exciton radiusRemh*me*REr022224786. 1112-D114202rBmh*me*ea Size of particle Bohr exciton radiusQuantum Confinement effect Exciton energyEg= Eg.bulk + EFor semiconductors, aB is in a few nm to a few 10-nm Excitons: electron and hole bound together like a hydrogen atom

9、Hamiltonian of exciton her02he2h*h22e*e2rr4e)V(r)V(r2m2mH-A Tunable BandgapAccording to size of quantum dot semiconductor will measurably alter the bandgap energy a tunable bandgap! This is possible as long as the size of the dot is close to or below the Exciton Bohr Radius.Exciton Bohr DiameterSize

10、 Dependent Color Quantum dots, the size of the bandgap is controlled simply by adjusting the size of the dot. Because the emission frequency of a dot is dependent on the bandgap, it is therefore possible to control the output wavelength of a dotRef. evidenttech/qdot-definition/quantum-dot-introducti

11、on.phpOptical Properties Of Quantum Dotsa) Multiple colorsb) Photostabilityc) Wide absorption and narrow emissiond) High quantum yieldQuantum Yield 60 70 %Single source excitation(Tellurium)傳統(tǒng)染料和量子點(diǎn)的區(qū)別(A) Excitation ( dashed) and fluorescence ( solid) spectra of fluorescein; (B) A typical water-solu

12、ble nanocrystal sample in PBS傳統(tǒng)熒光素量子點(diǎn)激發(fā)光-虛線；發(fā)射光-實(shí)線；半峰高寬度：67nm vs. 32nm；10%峰高寬度：100nm vs. 67nm；量子點(diǎn)光譜優(yōu)點(diǎn)： 無紅外延伸，延續(xù)、寬激發(fā)譜廣激發(fā)譜，窄發(fā)射譜染色穩(wěn)定性量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用 量子點(diǎn)的顆粒越小，發(fā)出的熒光波長越短，因此顆粒大小不同的量子點(diǎn) ，可以顯示出不同的顏色：單個(gè)波長可激發(fā)一切的量子點(diǎn)，而不同染料分子的熒光探針需多個(gè)激發(fā)波長。運(yùn)用范圍廣：可用于多領(lǐng)域和多儀器多種顏色：顏色取決于量子點(diǎn)的大小，在同一激發(fā)波長下，可發(fā)出多種激發(fā)光，到達(dá)同時(shí)檢測(cè)多種目的的要求?？构庵缕仔?/p>

13、平安：細(xì)胞毒性低，可用于活細(xì)胞及體內(nèi)研討熒光時(shí)間長：熒光時(shí)間較普通熒光分子長數(shù)千倍，便于長期跟蹤和保管結(jié)果量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用p QD可用于非同位素標(biāo)志的生物分子的超靈敏檢測(cè)，如在QD外表銜接上巰基乙酸HS-CH2COOH),從而使量子點(diǎn)既具有水溶性，還能與生物分子如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等結(jié)合，經(jīng)過光致發(fā)光檢測(cè)出QD，從而使生物分子識(shí)別一些特定的物質(zhì)。Schematic of a ZnSCapped CdSe QD that is covalently coupled to protein量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用傳感器量子點(diǎn)在生物上的運(yùn)用傳

14、感器生物芯片技術(shù)：量子點(diǎn)顏色的多樣性滿足了對(duì)生物高分子蛋白質(zhì)、DNA所蘊(yùn)含海量信息進(jìn)展分析的要求：將聚合物和量子點(diǎn)結(jié)合構(gòu)成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸顏色的量子點(diǎn)，被照射后開場(chǎng)發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，構(gòu)成幾種指定密度譜線條形碼，這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的運(yùn)用前景。利用量子點(diǎn)察看細(xì)胞分裂過程在生物檢測(cè)中的其它運(yùn)用 把量子點(diǎn)分別同生物素、尿素、醋酸鹽和某種抗體鏈接了起來，勝利地到達(dá)了特定的細(xì)胞構(gòu)造； 可以有許多種分子用作量子點(diǎn)的導(dǎo)引物質(zhì)，包括核酸、細(xì)胞膜上的脂質(zhì)、同載體蛋白質(zhì)或載體糖聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密的蛋白質(zhì)，還有一些藥物可以把量子點(diǎn)導(dǎo)引到特定細(xì)胞構(gòu)造中去； 研討人員正努力于量子點(diǎn)在

15、神經(jīng)遞質(zhì)研討了解神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)的研討中的運(yùn)用。他們將量子點(diǎn)標(biāo)志在一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺上, 然后察看了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是怎樣推進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)在將信號(hào)經(jīng)過相鄰神經(jīng)細(xì)胞的間隙傳送后，又回到細(xì)胞中的過程； 可以運(yùn)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中。量子點(diǎn)太陽能電池一光化學(xué)電池二肖特基電池 The quantum dot band gap is tunable and can be used to create intermediate bandgaps. The maximum theoretical efficiency of the solar cell is as high as 63.2% with this me

16、thod.三量子點(diǎn)中間能帶太陽能電池量子點(diǎn)中間帶資料可經(jīng)過尺寸為納米量級(jí)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)鑲嵌在三維的寬帶隙半導(dǎo)體資料中來實(shí)現(xiàn) 量子點(diǎn)為勢(shì)阱，寬帶隙半導(dǎo)體為勢(shì)壘。1量子點(diǎn)的嚴(yán)密陳列使得勢(shì)壘區(qū)很窄， 電子具有共有化運(yùn)動(dòng)特征， 繼而構(gòu)成子帶；2可以經(jīng)過對(duì)勢(shì)壘區(qū)進(jìn)展 型調(diào)制摻雜來滿足中間帶半滿的要求，調(diào)制摻雜的濃度大約等于量子點(diǎn)的濃度；(1)要求價(jià)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；(2)要求中間帶必需是半滿的，且應(yīng)有足夠的電子空穴密度，可以滿足電子從價(jià)帶到中間帶然后從中間帶到導(dǎo)帶的躍遷需求；(3)要求量子點(diǎn)具有適宜的尺寸、外形以及組分，以獲得位于價(jià)帶和導(dǎo)帶中間適宜位置的局域能級(jí)；(4)要求

17、量子點(diǎn)間構(gòu)成嚴(yán)密的三維周期陳列;(5)要求量子點(diǎn)陣列中量子點(diǎn)單元尺寸均一度好尺寸分散性10%;量子點(diǎn)中間能帶太陽能電池的根本要求量子點(diǎn)中間能帶太陽能電池的根本要求四量子點(diǎn)多激子太陽能電池太陽光譜涵蓋的能量約在0.33 eV之間，比大部分半導(dǎo)體能隙還大，因此當(dāng)陽光照射在這些資料時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量比能隙高的電子或電洞，稱為熱載子(hot carriers)。在塊材半導(dǎo)體中，熱載子會(huì)在數(shù)皮秒內(nèi)迅速冷卻并釋放出聲子(phonon)，亦即透過晶格振蕩將能量以熱的方式釋出，這正是現(xiàn)行的太陽電池有高達(dá)50%能量損失的主因。因此如何有效利用熱載子的能量來產(chǎn)生更多激子，是開展光伏元件的重要議題。 由于量子局域效應(yīng)(quantum confinement effect)之賜，量子點(diǎn)能帶內(nèi)的能階(intra-band energy levels)有較大的間距，與聲子間的交互作用較小，因此能抑制這個(gè)