光伏材料物理-量子點太陽能電池2課件

1、量子點太陽能電池量子點的概念量子點(QuantumDots一QDs)是準零維的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。是指顆粒半徑(或三個維度的尺寸)小于材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動都受到局限，所以量子局限效應(yīng)特別顯著。由于量子局限效應(yīng)會導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能級結(jié)構(gòu)，因此量子點又被稱為“人造原子”。如果將某一個維度的尺寸縮到小于一個波長，此時電子只能在另外兩個維度所構(gòu)成的二維空間中自由運動，這樣的系統(tǒng)我們稱之為量子阱；如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小于一個波長，則電子只能在一維方向上運動，我們稱之為量子線；當(dāng)三個維度的尺寸都縮到一個波長以下時，就成為量子點了。能態(tài)

2、密度對于不同維度的電子體系，許多獨特的光學(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E附近單位能量間隔內(nèi)的電子態(tài)數(shù)。每一個量子態(tài)可被自旋向上和向下的兩個電子所占據(jù)。量子點的制備方法自組成法(self-assembly method)：采用分子束外延或化學(xué)氣相沉積過程，并利用晶格不匹配的原理，使量子點在特定基材表面自聚生長，可大量生產(chǎn)排列規(guī)則的量子點。在GaAs基材上以自組成法生長 InAs量子點的STM影像 量子點的制備方法小結(jié)合成方法Top-downBottom-up晶體表面刻蝕組成器件化學(xué)制備生物體系標記波長范圍寬，發(fā)射峰尖銳，發(fā)射波長可以通過納米粒子粒徑調(diào)節(jié)，易于自組織Relaxi

3、ng Electron Emits Fixed Radiation Electrons relax back to the top edge of the valence band from the bottom edge of the conduction band. This causes the fixed emission peak of semiconductors.Bulk Semiconductors - A Fixed Range of Energies Quantum Dots - Quantum Confinement If the size of a semiconduc

4、tor crystal becoes small enough that it approaches the size of the materials Exciton Bohr Radius. The electron energy levels can no 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 leve

5、ls is called quantum confinement, and under these conditionsExciton Bohr DiameterSize 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

6、the output wavelength of a dotRef. /qdot-definition/quantum-dot-introduction.phpOptical Properties Of Quantum Dotsa) Multiple colorsb) Photostabilityc) Wide absorption and narrow emissiond) High quantum yieldQuantum Yield 60 70 %Single source excitation(Tellurium)染色穩(wěn)定性量子點在生物上的應(yīng)用量子點的顆粒越小，發(fā)出的熒光波長越短，因此

7、顆粒大小不同的量子點 ，可以顯示出不同的顏色：單個波長可激發(fā)所有的量子點，而不同染料分子的熒光探針需多個激發(fā)波長。應(yīng)用范圍廣：可用于多領(lǐng)域和多儀器多種顏色：顏色取決于量子點的大小，在同一激發(fā)波長下，可發(fā)出多種激發(fā)光，達到同時檢測多種指標的要求?？构庵缕仔园踩杭毎拘缘?，可用于活細胞及體內(nèi)研究熒光時間長：熒光時間較普通熒光分子長數(shù)千倍，便于長期跟蹤和保存結(jié)果量子點在生物上的應(yīng)用QD可用于非同位素標記的生物分子的超靈敏檢測，如在QD表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH),從而使量子點既具有水溶性，還能與生物分子（如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）結(jié)合，通過光致發(fā)光檢測出QD，從而使生物分子識別一些特

8、定的物質(zhì)。Schematic of a ZnSCapped CdSe QD that is covalently coupled to protein量子點在生物上的應(yīng)用量子點在生物上的應(yīng)用（傳感器）生物芯片技術(shù)：量子點色彩的多樣性滿足了對生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊含海量信息進行分析的要求：將聚合物和量子點結(jié)合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點，被照射后開始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形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)中有光明的應(yīng)用前景。利用量子點觀察細胞分裂過程在生物檢測中的其它應(yīng)用把量子點分別同生物素、尿素、醋酸鹽和某種抗體鏈接了起來，

9、成功地到達了特定的細胞結(jié)構(gòu)； 可以有許多種分子用作量子點的導(dǎo)引物質(zhì)，包括核酸、細胞膜上的脂質(zhì)、同載體蛋白質(zhì)或載體糖聯(lián)系緊密的蛋白質(zhì)，還有一些藥物可以把量子點導(dǎo)引到特定細胞結(jié)構(gòu)中去；研究人員正致力于量子點在神經(jīng)遞質(zhì)研究（了解神經(jīng)信號傳導(dǎo)的研究）中的應(yīng)用。他們將量子點標記在一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺上, 然后觀察了轉(zhuǎn)運蛋白是怎樣推動神經(jīng)遞質(zhì)在將信號通過相鄰神經(jīng)細胞的間隙傳遞后，又回到細胞中的過程；可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中。量子點太陽能電池（一）光化學(xué)電池（二）肖特基電池41The quantum dot band gap is tunable and can be used to create

10、intermediate bandgaps. The maximum theoretical efficiency of the solar cell is as high as 63.2% with this method.（三）量子點中間能帶太陽能電池量子點中間帶材料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。（1）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；（2）可以通過對勢壘區(qū)進行 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；(1)要求價帶到中間帶的吸收系數(shù)比中間帶到導(dǎo)

11、帶的吸收系數(shù)大；(2)要求中間帶必須是半滿的，且應(yīng)有足夠的電子空穴密度，能夠滿足電子從價帶到中間帶然后從中間帶到導(dǎo)帶的躍遷需求；(3)要求量子點具有合適的尺寸、形狀以及組分，以獲得位于價帶和導(dǎo)帶中間合適位置的局域能級；(4)要求量子點間形成緊密的三維周期排列;(5)要求量子點陣列中量子點單元尺寸均一度好（尺寸分散性10%）;量子點中間能帶太陽能電池的基本要求（四）量子點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)陽光照射在這些材料時會產(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形式釋出，這正是現(xiàn)行的太陽電池有高達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，是發(fā)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，因此能克服這個問題。（五）量子點染料敏化太陽能電池（1）在包覆劑TOP或TOPO的作用下合成單分散的量子點懸浮液；（2）將光陽極材料浸入雙功能分子連接劑（常用COOH-R-SH）中，連接劑的