《量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池研究綜述》3700字

量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池研究綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u22554量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池研究綜述 1183971.1量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的研究狀況 123461.2量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn) 113488（1）限域效應(yīng) 116458（2）表面效應(yīng) 27597（3）尺寸效應(yīng) 217638（4）多激子效應(yīng) 244191.3制備量子點(diǎn) 29600（3）自組裝法 3323781.4量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組成 328007（1）光陽(yáng)極 316962（2）電解質(zhì) 328987（3）對(duì)電極 4256971.3提升量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池性能措施以及未來(lái)發(fā)展方向 41.1量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的研究狀況 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的構(gòu)成大致和染料敏化太陽(yáng)能電池相同，僅用量子點(diǎn)替換染料。在2001年第一界光伏結(jié)構(gòu)國(guó)際研討會(huì)上，M.Gr?tzel及其團(tuán)隊(duì)提出了量子點(diǎn)敏化二氧化硅的概念。于是，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池開(kāi)始被各國(guó)科學(xué)家們廣泛關(guān)注。伴隨著量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的不斷發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率也越來(lái)越好，因此研究此課題的人數(shù)也不斷增加。這樣的良性循環(huán)使得量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展十分迅速，從10年至18年短短8年間，光電轉(zhuǎn)換從開(kāi)始的不足5%到后面的超過(guò)12%，并且作為量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能最核心的組成部分光陽(yáng)極近些年也在飛速的發(fā)展著，未來(lái)發(fā)展十分可觀。我國(guó)近些年在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池方面也實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，華東理工大學(xué)鐘新華教授及其團(tuán)隊(duì)于2016年一舉突破了電池大規(guī)模產(chǎn)量化難以達(dá)到10%的瓶頸。僅僅一年后該課題組又嘗試改進(jìn)對(duì)電級(jí)，并獲得了巨大的成功，認(rèn)證效率達(dá)到了驚人的12.07，屬于世界頂尖水平。1.2量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池和染料敏化太陽(yáng)能電池大體上差別在于量子點(diǎn)和染料制備及其性質(zhì)上的差異。因此相比而言，優(yōu)勢(shì)大致體現(xiàn)在量子點(diǎn)的性質(zhì)上：限域效應(yīng)構(gòu)成量子點(diǎn)尺寸過(guò)大時(shí)，此時(shí)激子難以被形成，連續(xù)的帶狀成為電子能級(jí)所表現(xiàn)的狀態(tài)，也可以說(shuō)構(gòu)成這樣的能級(jí)帶狀為數(shù)不清的能級(jí)間隔十分微小的電子能級(jí)。而當(dāng)量子點(diǎn)尺寸過(guò)小時(shí)，此時(shí)電子周圍的空間十分有限，這就導(dǎo)致了電子的自由里程被壓縮的很小，此時(shí)十分有利于激子的產(chǎn)生，并伴隨著激子吸收帶的出現(xiàn)。因此，我們因?yàn)榫涂梢赃@樣描述量子限制效應(yīng)，當(dāng)量子點(diǎn)本身尺寸越小時(shí)，激子就越越容易出現(xiàn)，并且其吸收能力也就越強(qiáng)。并且由波爾半徑的公式也可知，當(dāng)在染料敏化太陽(yáng)能電池使用量子點(diǎn)時(shí)，可用調(diào)節(jié)粒子的大小和采用不一樣能帶的方式來(lái)控制波長(zhǎng)的吸收，在此情況下激子的濃度就會(huì)通過(guò)量子限制效應(yīng)進(jìn)行提升。表面效應(yīng)量子點(diǎn)本身的比表面積比較廣，當(dāng)原子數(shù)量越來(lái)越多時(shí)，就會(huì)使得其配位稀缺。這樣的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很多的不飽和鍵和懸掛鍵。因此，表面原子本身的結(jié)構(gòu)以及輸運(yùn)會(huì)應(yīng)表面效應(yīng)而受到改變，原子表面的光學(xué)性質(zhì)也會(huì)受到一定程度都影響。量子點(diǎn)可借助此效應(yīng)而獲得較高的吸光系數(shù)。尺寸效應(yīng)能系寬度以及光吸收譜可以跟隨量子點(diǎn)本身大小的而不斷變化，最終調(diào)整到最佳狀態(tài)，此效應(yīng)被稱為量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)量子點(diǎn)尺寸過(guò)小時(shí)，也即小于波爾半徑或者德布羅意波長(zhǎng)，電子能級(jí)會(huì)變?yōu)榉至?的能級(jí)。當(dāng)量子點(diǎn)尺寸改變時(shí)，光吸收譜會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象。例如，量子點(diǎn)不斷變小時(shí)，會(huì)伴隨著藍(lán)移現(xiàn)象的產(chǎn)生。此時(shí)，能級(jí)間的間距也會(huì)不斷的擴(kuò)大。而當(dāng)量子點(diǎn)不斷增長(zhǎng)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。此時(shí)，能級(jí)間的間距在不斷縮減。多激子效應(yīng)在太陽(yáng)光譜中，可見(jiàn)光當(dāng)中光子能量會(huì)被選擇性吸收。例如，低于半導(dǎo)體帶的就會(huì)選擇不吸收。其中，熱電子代表電子形成的很大能量大于半導(dǎo)體帶隙，熱空穴則是代表空穴形成的很大能量大于半導(dǎo)體帶隙。碰撞離子化是高熱的空穴電子對(duì)從高能態(tài)降低到低能態(tài)時(shí)，在此之間釋放的能量可以將其他的空穴對(duì)（可以為一對(duì)也可以為多對(duì)）激發(fā)的過(guò)程。俄歇復(fù)合過(guò)程正好與之相反。通過(guò)碰撞離子化效應(yīng)這個(gè)過(guò)程，可以得出兩個(gè)及以上的空穴電子對(duì)可以由一個(gè)光子產(chǎn)生，此效應(yīng)被叫做多激子激發(fā)效應(yīng)。多激子激發(fā)效應(yīng)的出現(xiàn)也有限制，唯有在碰撞離子化速度很高時(shí)（也即比弛豫過(guò)程和熱電子冷卻速率更高時(shí)）才會(huì)出現(xiàn)。但是由于在半導(dǎo)體中電子空穴冷卻十分迅速，因此，多激子效應(yīng)在塊材中難以出現(xiàn)。量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池理論效率已被人為證實(shí)最高可以接近60%以上。這樣結(jié)果給予了相關(guān)科研人員繼續(xù)研究的信心和動(dòng)力，也帶來(lái)了量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能獨(dú)特的魅力。1.3制備量子點(diǎn)電沉積法：將量子點(diǎn)提前準(zhǔn)備好，經(jīng)過(guò)不斷加壓，作用在薄膜（多孔半導(dǎo)體）電極上。合成量子點(diǎn)：分為兩類不同方法，第1類被稱為連續(xù)化學(xué)沉積，制備出量子點(diǎn)的過(guò)程是把二氧化鈦依次放在兩種不同鹽溶液當(dāng)中浸泡。第2類則被稱為化學(xué)浴沉積：①準(zhǔn)備含有陽(yáng)離子的試劑，將二氧化鈦放入靜止些許時(shí)辰；②清楚表面剩余無(wú)用反應(yīng)物，然后放在含有陰離子的試劑，這樣就可以得到新的薄膜；④依次按照上述步驟不斷重復(fù)，最終可以得到多次不斷層積；這樣制備出的粒子大小也在一定的規(guī)律內(nèi)，無(wú)法形成10納米以上的量子點(diǎn)。這種制備的方法是能夠獲得量子點(diǎn)，在此基礎(chǔ)之上也可將此放在二氧化鈦薄膜之上。自組裝法①提前準(zhǔn)備好量子點(diǎn)，并且進(jìn)行純化；②將其分別散落在試劑里，并把二氧化鈦薄膜放在其中浸沒(méi)，以此來(lái)反應(yīng)；但是這種連接方式并不牢固，因?yàn)槭俏锢硇晕剑虼朔€(wěn)定性差強(qiáng)人意。1.4量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組成光陽(yáng)極、電解質(zhì)、對(duì)電極是量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能最基礎(chǔ)的組成部分，它最直觀的狀態(tài)是呈現(xiàn)一種夾式結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)基本上為多流電解質(zhì)。下面詳細(xì)介紹這三類器件。（1）光陽(yáng)極 光陽(yáng)極是最核心的器件，通常由透明①導(dǎo)電玻璃②二氧化硅（氧化鋅）等半導(dǎo)體薄膜③硫化鎘、硒化鎘等量子點(diǎn)構(gòu)成。光陽(yáng)極也被稱為量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的工作電極，光陽(yáng)極在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的工作功能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)光的光子能量落在量子點(diǎn)上時(shí)，量子點(diǎn)分子從導(dǎo)電襯底轉(zhuǎn)移光激發(fā)電子。二是理想中的光陽(yáng)極應(yīng)具有較高的表面積，以確保有足夠的量子點(diǎn)來(lái)有效的捕捉光。光陽(yáng)極的電子輸送在量子點(diǎn)電子輸運(yùn)在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中起著重要的作用。FTO也因其優(yōu)異的導(dǎo)電率和光學(xué)透明度而受到廣泛應(yīng)用。在太陽(yáng)能電池快速發(fā)展的一段時(shí)間內(nèi)，量子點(diǎn)敏化材料也在不斷的發(fā)展。例如，硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硫化銀、硒化鋅等被證實(shí)有著良好發(fā)展前景的一類。在這些量子點(diǎn)當(dāng)中，鎘硫系化物量子點(diǎn)是最優(yōu)的選擇，首先因?yàn)檫@些量子點(diǎn)更穩(wěn)定，更加容易制備。其次，禁帶寬度可以通過(guò)量子點(diǎn)量子點(diǎn)大小來(lái)不斷調(diào)整。要制備出有著理想的半導(dǎo)體薄膜，就要具備如下優(yōu)勢(shì)：①電子遷移率較高；②量子點(diǎn)的電子可以進(jìn)入導(dǎo)帶上；③光散射性能出眾，能吸收足夠多的太陽(yáng)光等。在目前眾多半導(dǎo)體材料中，二氧化鈦是備受青睞的一種。科學(xué)家們經(jīng)過(guò)對(duì)其不斷改進(jìn)，可以達(dá)到具有更好傳輸能力的效果。氧化鋅和二氧化鈦的物理性能十分的相似，但是氧化鋅輸出密度更高，也有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。出了?duì)上述兩種材料有著突破性研究外，還尋求了其他方式來(lái)提升電池性能。例如，通過(guò)摻雜光活性的過(guò)渡金屬離子是改變量子點(diǎn)的電子和光物理性質(zhì)的有效途徑。因?yàn)樵诹孔狱c(diǎn)的中隙區(qū)域產(chǎn)生了電子態(tài)，從而改變了光產(chǎn)生的電子分離和重組動(dòng)力學(xué)。（2）電解質(zhì)電解質(zhì)是一種通過(guò)離子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電的物質(zhì)，為太陽(yáng)能電池的研究開(kāi)辟了新的路徑。電解質(zhì)主要分為液體、準(zhǔn)固體和固體這三類。液體電解質(zhì)的揮發(fā)性和水或氧分子的滲透會(huì)導(dǎo)致性能的快速降解。解決這一問(wèn)題有效的方法是用準(zhǔn)固態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)代替揮發(fā)性液體電解質(zhì)。準(zhǔn)固態(tài)聚合物凝膠電解質(zhì)有著較高的離子導(dǎo)電率、良好的穩(wěn)定性和優(yōu)良的滲透能力，因此被廣泛研究和應(yīng)用。量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池使用最為廣泛的是聚硫化物電解質(zhì)，因?yàn)槠渑c致敏劑有著很好的兼容性，因此能給電池帶來(lái)很好的性能。隨著人們對(duì)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性越來(lái)越重視，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的液體電解質(zhì)和準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)逐步取代固態(tài)電解質(zhì)。光伏效果差強(qiáng)人意一個(gè)重要因素就是聚合物固態(tài)電解質(zhì)對(duì)介孔二氧化鈦的滲透能力較弱以及比較低的電子導(dǎo)電率，這限制了固體電解質(zhì)的膜厚度，降低了采集光的效率。因此，提高效率需要提高電解質(zhì)的導(dǎo)電率和滲透能力。在此之上還需不破壞電池內(nèi)部組成部分、避免吸收可見(jiàn)光以及能使電解質(zhì)和電極之間充分反應(yīng)。（3）對(duì)電極對(duì)電極是量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池重要組成部分。對(duì)電極的任務(wù)是從外部電路收集電子，減少氧化物質(zhì)。對(duì)電極的性質(zhì)必須對(duì)氧化還原電解質(zhì)具有催化活性（鉑的對(duì)電極正是由于其較高的催化活性而被廣泛研究）。除此之外，制備對(duì)電極的材料還應(yīng)該導(dǎo)電率低、比表面積大、導(dǎo)電性能優(yōu)良等等。碳納米管和石墨烯的結(jié)合使得比表面積大大增加了，可以增加金屬硫化物催化劑。因此，碳衍生材料和其他類型材料相比具有很好的催化性能隨著進(jìn)一步的優(yōu)化，碳衍生材料將會(huì)成為對(duì)電極材料的理想材料。1.3提升量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池性能措施以及未來(lái)發(fā)展方向①降低電荷復(fù)合，升高其收集效率。具體步驟可以通過(guò)為注入的電子設(shè)計(jì)一個(gè)一個(gè)到達(dá)收集電極的專用通道，可以明顯提高其效率。②改善電極太陽(yáng)光利用率，提升電子注入效率③對(duì)于氧化鋅粒子來(lái)說(shuō)，在其他條件相當(dāng)情況下，由于其表面積不大，因此吸