[发明专利]海绵状量子点太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于太阳能电池，尤其涉及量子点太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着人们对能源需求的不断增加和化石型(煤、石油、天然气)能源储量的不断减少，寻找可持续、绿色无污染的替代新能源已经成为科学研究的重点问题。在众多的替代能源(如核能、风能、水能、潮汐能、太阳能等)中，太阳能发电无疑是最为人们所期待和有前景的能源。太阳每年照射到地球的能量为5.4×10²⁴J左右，相当于全世界每年全部可使用能源的几万倍。与化石燃料相比，太阳能取之不尽，用之不竭，没有污染；太阳能的使用不会破坏地球热平衡，对生态保护有利；与核能相比，太阳能更为安全，其应用不会对环境构成任何污染；与水能、风能相比，太阳能的成本较低，且不受地理条件限制。因此，太阳能的利用、尤其是直接把太阳辐射转变为电能的太阳能电池的研究开发，已受到世界各国的特别关注。

目前为止，世界上太阳能电池的发展经过了三代发展。第一代太阳能电池以硅为基本材料，转换效率可以达到15％左右，占据了目前光伏电池市场的绝大比例；第二代太阳能电池，即薄膜太阳电池，实验室转换效率可以达到30％左右。但这两种电池都因其价格昂贵，远远难以满足市场需求。第三代太阳能电池，即染料敏化太阳能电池(DSSCs)，是目前很有希望的一种新型的太阳能电池。相对前两代电池而言，它的制备工艺简单、成本低廉，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，寿命能达到20年以上。实验室转换效率可以达到11％左右。但是十几年过去了，其转换效率仍旧在11％左右徘徊，进一步提高转化效率已相当困难。无论是硅太阳能电池，薄膜太阳能电池，还是DSSCs的能量转化率都存在31％的极限，阻碍了光电转换效率的提升。最近研究人员发现利用量子点的量子限制效应、多激子效应等独特性能，可以突破太阳电池的能量转换极限，达到66％的转化效率，这引发了研究量子点太阳能电池(quantum dot solar cells，QDSCs)的热潮。

量子点太阳能电池的优势源于：(1)量子限制效应：当半导体颗粒尺寸与其激子波尔半径相近时，系统能带分裂为一系列离散量子能级。将量子点应用在太阳能电池上，可通过选择不同能带的材料及控制粒径的尺寸来调控其吸光波长，实现在更宽的波长范围内对太阳光的吸收利用，见Yu，W.W.；Peng，X.Angew.Chem.Int.Ed.2002，41，2368。(2)多激子效应：当半导体材料的尺度降低为量子点时，由于载流子的受限以及伴随而来的电子-空穴库伦作用增强，导致俄歇效应及其反过程碰撞离化的机会大大增加。在量子点材料中，单个光子将通过碰撞离化产生多个激子。(3)小带效应：半导体材料在量子化后会产生能带分裂的现象，在各量子点之间会产生许多细小而连续的能级，称为小带。这种能级结构可以降低热电子的冷却速率，且为热电子提供许多良好的传导和收集路径，使热电子能在较高能级处向外传出，因此可得到较高的光电压。量子点在可见光区域吸光，可以作为染料敏化太阳能电池的敏化剂，量子点在光吸收方面的优点是由于它的量子限制效应。用量子点可以利用热电子碰撞光子产生多个空穴电子对。而且量子点有高的消光系数，它可以减少暗电流从而可以提高太阳能电池的总的效率。