量子点材料光伏电池的研究

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SOLAR ENERGY
技术与产品
太 阳 能
量子点材料光伏电池的研究
大连交通大学 ■　薛钰芝
摘 要：本文简单分析现有光伏电池的发展现状，介绍第三代太阳电池的研发目标，对多层膜、 量子点材料的光伏电池的原理进行阐述。 关键词：太阳能电池；多层膜；量子点
１．概述
太阳能是最清洁的可再生能源。当前，各国将太 阳能光伏发电摆在可再生能源利用的重要位置， 它已 成为全球增长最快的高新技术产业之一。 太阳能光伏 电池的研发经历了三个阶段， 目前研发和商品化的为 第一、二代太阳电池（表 １） 。由表可见，已商品化的 大部分为单晶、多晶硅材料的太阳电池。 常规单结半导体电池只能转换接近和高于带隙 能量的光子。导致效率降低的主要因素是（图 １） ： （１）光子激发电子 － 空穴对通过能带间隙时，较高 能量（频率高）和较低能量（频率低）的光子的产
表 １　第一、二代太阳电池 太阳电池 第一代太阳电池 组 分 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 铜铟硒薄膜太阳 第二代太阳电池 （薄膜太阳电池） 电池ＣＩＳ　（ＣｕＩｎＳｅ２） ＧａＡｓ 太阳能电池 ＴｉＯ２ 染料敏化 太阳电池 １１％（实验室） 将商品化 效 率 ２４．７％（ＵＮＳＷ） １６～１７％ １２％～１７％ １３％（实验室） ５～８％（产品） 商业化情况 实验室 商品化 商品化 商品化 商品化 特 点 高效率 价格较贵 产品很多 价格较低但有衰退 铟是稀有贵金属 效率较高，价格贵 价格较低 不太稳定
７～１１％（实验室） 正在实现商品化 超过 ３０％ 空间应用
出效率相同，导致效率降低 ４４％； （２）光子激发电 子 －空穴的复合作用与材料缺陷及光激发逆过程有 关； （３）电极引线接触处复合作用等。可见太阳光 谱能量并未得到充分的利用。根据理论计算，最大 的太阳能光电转换效率可达 ９３．３％；串列式太阳电 池的光电转换效率最大为８６．８％。 目前实验室单晶硅 太阳电池最高效率仅为 ２４．７％，因此，提高太阳能电 池的光电转换效率大有潜力。 充分利用太阳能的全光谱，提高太阳电池的光 电转换效率；降低成本，并有利于环境保护和生态 平衡，是第三代光伏电池的目标。为此，各国正在 开展以下几方面的研究： （１）应用自然界含量丰富，无毒的原材料；经
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掺杂建立中间能隙，发挥杂质光伏作用，增

加能隙 值范围的材料； （２）对入射光进行波长调制，以获 得与电池匹配的特性，在光伏电池中运用，以充分 利用全波长太阳光谱； （３）研究“热载流子”的光 伏特性； （４）进行光伏学的模拟计算，研发应用软 件； （５）研究光与电磁相关的问题，进行天线结构 收集光的热动力学计算、 表面电子振荡的表面等离 子体的研究等； （６）其他相关问题的研究。 欧共体 ６ 国综合项目提出的目标为：研究多结 太阳电池（MJC） ；热光伏学（TPV） ；中间带太阳电 池和材料（IBC） ；探索分子基础的概念（MBC） ；研 究加工技术和预期标准化工作（MFG） 。
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太 阳 能 技术与产品
２ ｈ２ ｋ ２ｎ ２ πｈ２ ｎ ２ ＝ ２ｍ ＊ ２ｍ ＊ Ｌ ２
Ｅ２ｎ ＝
（１）
图１　导致光伏电池效率降低的因素示意图
２．关于多层膜材料光伏电池 采用纳米多层膜微结构的材料制作光伏电池， 突破常规光伏电池的基本原理， 有望获得较高的能 量转换效率。主要原因为： （１）纳米微结构材料的 晶粒尺寸与载流子的散射长度是同数量级， 散射速 率减小，增长载流子的收集效率； （２）由于微结构 的电子态密度增大，使其具有较强的吸收系数，控 制微结构的尺寸， 可吸收特定能量范围的光子； （３） 通过层与层的堆垛， 可在较宽的波长范围内光的吸 收能力增强， 将会提高光电转换效率（４） ； 纳米多层 膜中，多量子阱结构及杂质能级将形成超晶格中的 微带效应，使得电子可以在垂直于超晶格界面的方 向输运， 发生共振隧穿、 场致局域态间的跳跃导电等 现象， 从而可大大提高光电转换效率 （５） ； 低维材料 热载流子辐射收集时间比能量松弛时间短，运用热 载流子的原理， 就有可能使全部电流输出， 而热晶格 即热吸收体存在可以阻碍光生载流子能量发生松弛， 从而提高光电转换效率。新一代光伏电池的研究将 按照由“多层膜——叠层半导体材料——量子阱材 料——量子点材料”的路线发展。 ３．关于量子点材料光伏电池 量子点具有比量子阱更强的作用， 可用量子点从 太阳光吸收一个宽排的光子能量后再发射几个波长 的能量。Ａｒｔｈｕｒ　Ｊ．　Ｎｏｚｉｋ 在实验室开发量子点物 质，推进单层高效率太阳电池的研究。 Ｈ．　Ｐｒｅｓｔｉｎｇ 用多层氧化硅（多层膜）中排列的 Ｇｅ 量子点层夹在 Ｓｉ（Ｐ 型）－Ｓｉ （ｉ） 之间制成电池， 当达到７５层时， 量 子点的密度增大， 红外光谱的吸收增强了１０％ （与无 夹层比） ，使光生电流增加（低能区）

；但由于 Ｇｅ 量 子点又起到载流子复合与捕获中心的作用而导致开 路电压减小了。 可见为提高短路电流、 开路电压， 必 须优化设计量子点结构，以获得较高的光电转换效 率。 更重要的是， 要对Ｓｉ／Ｇｅ 量子点层的机理进行研 究，并用以指导最佳化设计。 量子点被称为“人造原子” ，一般尺度为几十纳 米， 其能带结构与原子相象。 电子和空穴受到三维量 子限域效应影响而呈现不连续的能级。尺度直接决 定量子点的能级。对于一维情况， 能级遵从式 （１） ：
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其中，ｈ 为普朗克常数（Ｐｌａｎｋ’ｓ　ｃｏｎｓｔａｎｔ） ， ｋ 为 ｚ 方向波矢量（ｗａｖｅ　ｖｅｃｔｏｒ） ，ｍ＊ 为粒子等效 质量， Ｌ为膜层厚度， 而ｎ为量子数。 所以厚度愈小， 量子化能级之间的能量差愈大。图 ２ 为量子尺寸效 应的示意图， 当尺寸减小时， 使得能隙上升。 式 （１） 为一维情况，而量子点在三维情况下均有量子尺寸 效应，若采用量子点材料，将会有以下作用：
图２　量子尺寸效应示意图
（１） 吸收系数增大 量子点限域效应使能隙随粒 ： 径变小而增大，所以量子点结构材料可吸收宽光谱 的太阳光。量子点尺度更小时，处于强限域区易形 成激子，产生激子吸收带，随着粒径的减小，吸收 系数增加。激子的最低能量蓝移。也使其对光的吸 收系数范围扩大。 （２）带间跃迁，形成子带：其光谱是由于带间 跃迁的一系列线谱组成。带间跃迁可以使得入射光 子能量小于主带隙的光子转化为载流子的动能。可 以有多个带隙起作用，产生电子－空穴对。 （３）量子隧道效应与载流子的输运：光伏现象 的实质是材料的内光电转换特性，与电子的输运特 性有密切关系。 电子在纳米尺度量子点空间中运动， 当有序量子点阵列内的量子点尺寸与密度可控时， 量子隧道效应更显现，利于载流子输运。因量子阱 在横向的尺度不是纳米量级，所以可能使得光生载 流子的逃逸容易在两层膜之间发生。而量子点有三 维的量子限域作用，如果尺寸与密度控制得当，这 个问题可以避免。 关于量子点对光生载流子的逃逸、 捕获与复合的过程的机理有待于进一步探讨。例如 ①量子点中光生载流子如何贡献于光生电流 ②量 ； 子点能级的分布如何影响辐射复合几率，从而影响 光伏电池的暗电流、开路电压等；③由量子点尺寸 决定的量子点能级的空间分布与量子点电池的转换 效率之间有怎样重要的关系；④量子点尺寸和密度 控制在怎样的程度方可以使转换效率得到提高等等。 随着量子点材料在发光材料的成功，量子点材料光 伏电池

的研发也将取得成果。
（参考文献编者略）
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1本文由888ronglin贡献
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ＳＯＬ ＡＲ ＥＮＥＲＧＹ
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量子点材 料光伏 电池 的研究　
大连交通大学 ■ 薛钰芝　
摘 要： 本文简单分析现有光伏电池的发展现状 ， 介绍第三代太阳电池的研发 目标 ，对多层膜 、
量子点材料 的光伏 电池的原理进行阐述 。 关键词 ：太 阳能电池；多层膜 ；量子点
１概 述 ．
太阳能是最清洁 的可再生能源 。当前 ，各国将太 大部分为单晶 、多晶硅材料的太阳电池。
阳能光伏发电摆在 可再生能源利用 的重要位置 ，它已 成为全球增长最快 的高新技 术产业之一 。太阳能光伏　
电池的研发经历了三个阶段 ， 目前研发和商品化的为 第一 、二代太阳电池 （ １。由表可见，已商品化的 表 ）
常 规单结半 导 体 电池 只能转换 接近 和高 于带 隙 能量 的光子 。导致 效率 降低 的主 要因 素是 （ １： 图 ） （ ）光子激发电子 一空穴对通过能带间隙时 ， １ 较高　
能量 （ 频率高）和较低能量 （ 频率低）的光 了的产　
表 １第 一、二代太阳 电池　
＿ 一硼Ⅱ哪 － ＿ ＿
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第一代 太阳电池　
单晶硅太阳电池
多晶硅太 阳电池　
２ ．％（ ＮＳ ） ４７ Ｕ Ｗ １ ６
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实验室　
商品化　
高效率　
１ ％ ７
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第 二 代 太 阳 电 池　
非硅阳 晶太电 池 嚣 价较 有 格低 衰 但退 篙 ７　验 在 商 铟 有 属 ） 川 室 实品 是贵 ）正 现 化 稀 金
Ｇａ 太阳能电池 超过 ３ ％ Ａｓ ０　
Ｔ ０ 染料敏 化 ｉ２ 太阳电池　
（ 薄膜太阳电池）
空间应用 将商 品化　
效率较高 ，价格贵　
价格较低 不太稳定　
１％（ １ 实验室）
出效率相同，导致效率降低 ４ ％；（）光子激发电 ４ ２ 子 一空穴 的复合 作 用与材 料缺 陷及 光激 发逆 过程 有 关 ；（）电极引线接触处复合作用等。可见太阳光 ３ 谱 能量并 未得 到充 分 的利用 。根据理 论 计算 ，最 大 的 太 阳能光 电转换 效 率可达 ９ ．％；串列式 太 阳电 ３３ 池 的光 电转换 效率 最大 为 ８ －％。 ６ ８ 目前 实验室 单晶硅 太 阳电池最高效 率仅

为 ２．％，因此 ，提 高太阳能电 ４７ 池 的光 电转换效 率大有潜力 。 充 分利 用太 阳能 的全光 谱 ，提高 太 阳电池 的光 电转 换效 率 ；降 低 成本 ，并有 利 于环境 保护 和 生态 平衡 ，是 第三代 光伏 电池的 目标 。为此 ，各 国正在　
开 展 以下 几 方面 的研 究 ：
掺 杂建立 中 间能隙 ，发挥杂 质光 伏作 用 ，增 加能隙　
值范围的材料；（）对入射光进行波长调制 ，以获 ２ 得 与电池 匹配 的特 性 ，在光 伏 电池 中运用 ，以充分　
利 用全波 长太 阳光谱 ；（）研 究 “ ３ 热载 流子 ”的光　
伏特性；（）进行光伏学的模拟计算 ， ４ 研发应用软　
件 ；（）研 究光与 电磁 相关 的 问题 ，进行 天 线结构 ５
收集光的热动力学计算 、 表面电子振荡的表面等离　
子 体 的研 究 等 ； （）其 他相 关 问题 的研 究 。 ６ 欧共 体 ６国 综合项 目提 出的 目标为 ：研 究多 结　
太阳电池 （ Ｃ ； ＭＪ ）热光伏学 （ Ｐ ） Ｔ Ｖ ；中间带太阳电 池和材料 （ Ｃ ； Ｉ ） 探索分子基础的概念 （ Ｃ） 研 Ｂ ＭＢ ￣
究加工 技术 和预 期标 准化 Ｊ作 （ Ｇ） 二 ＭＦ 。
（）应用 自然界含量丰富 ，无毒的原材料 ；经 １
ｈ２ ｋ　０
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其 中 ，ｈ为 普 朗克 常数 （ｌｎ ’Ｓｃｎｔｎ ） Ｐａ ｋ ｏ ｓａ ｔ ， ｋ为 Ｚ 向波矢 量 （ ｖ ｅｔｒ ， 为粒子 等 效 方 ｗａ ｅｖｃｏ ） ｍ木 质 量 ， 为 膜 层厚 度 ， ｎ 量 子数 。 以厚度 愈小 ， Ｌ 而 为 所
图 １导致光伏电池效率降低 的因素示意 图　
量子 化能 级 之 间的 能量 差愈 大 。图 ２为量 子尺 寸效 应 的示意 图 ， 当尺 寸减 小时 ， 得 能隙 上升 。（ ） 使 １ 式　
２ 关于多层膜材料光伏 电池 ． 采 用 纳米 多 层膜 微 结 构 的材 料 制作 光伏 电 池 ， 突破常规光伏电池的基本原理 ， 有望获得较高的能 量转 换效 率 。主 要原 因 为 ：（）纳 米微 结 构材料 的 １ 晶粒 尺寸 与载 流子 的散 射 长度 是 同数 量 级 ，散 射速 率减小，增长载流子 的收集效率；（ ）由于微结构 ２ 的 电子态 密度增 大 ，使其 具有 较强 的吸 收 系数 ，控 制微结构的尺寸， 可吸收特定能量范围的光子；（） ３ 通过 层 与层 的堆垛 ，可在 较 宽的 波长 范 围内光 的吸 收能力增强 ， 将会提高光电转换效率；（） ４ 纳米多层　
膜 中 ，多量 子阱 结构 及杂 质能级 将形 成超 晶格 中的　
为一 维情 况 ，而量 子 点在三 维情 况 下均 有量 子尺 寸

效 应 ，若 采 用量 子 点材料 ，将 会 有 以下作 用 ：
一
收 系数范 围扩 大 。
图 ２ 量 子 尺 寸 效应 示 意 图
微带 效 应 ，使得 电 子可 以在垂 直于超 晶格 界面 的方 向输运 ， 发生共振 隧穿 、 场致局 域态 间的跳跃 导 电等　
现象， 从而可大大提高光电转换效率；（） ５ 低维材料 热 载流子 辐射 收集 时 间比能量松 弛 时 间短 ，运 用热 载流子 的原理 ， 就有 可能使 全部 电流输 出 ， 而热 晶格 即热吸 收体存在可 以阻碍光生载流 子能量 发生松弛 ， 从 而提高 光 电转 换效 率 。新一 代光伏 电池的研 究将 按照 由 “ 多层膜— — 叠层 半导体 材料— — 量子 阱材 料—— 量子点材 料 ”的路 线发展 。
（） １ 吸收系数增大： 量子点限域效应使能隙随粒 径变 小而 增 大 ，所 以 量子 点结 构材 料可 吸 收宽 光谱 的 太 阳光 。量 子 点尺 度 更小 时 ，处 于强 限域 区易形 成激 子 ，产 生激 子吸 收带 ，随 着粒 径 的减 小 ，吸收 系数 增加 。激 子 的最 低能 量蓝 移 。也使 其对 光 的吸 （）带间跃迁 ，形成子带 ：其光谱是由于带 间 ２ 跃迁 的一 系列线 谱组 成 。带 闻跃迁 可 以使得 入 射光 子 能量小 于 主带 隙 的光子 转化 为 载流 子 的动 能 。可 以 有 多个 带 隙起 作用 ，产生 电子 一空穴对 。 （）量子隧道效应与载流子的输运 ：光伏现象 ３ 的 实质是 材 料 的 内光 电转 换 特性 ，与 电子 的输运 特 性有密切关系。 电子在纳米尺度量子点空间中运动 ， 当 有 序量 子 点 阵列 内的 量子 点尺 寸 与 密度 可 控时 ， 量子 隧道 效 应更 显现 ，利 于载 流子 输 运 。因量子 阱　
在横 向的尺 度不 是纳 米 量级 ，所 以可能 使 得光生 载 流子 的逃 逸 容 易在两 层膜 之 间发 生 。而 量子 点 有三 维 的量 子限 域作 用 ，如 果尺寸 与 密度控 制 得 当 ，这 个 问题可 以 避免 。 关于 量 子点对 光 生载 流子 的逃 逸 、 捕获 与 复合 的过 程 的机理 有待 于 进一 步探 讨 。例 如 ① 量子 点 中光 生载 流 子如 何贡 献于 光 生 电流 ；② 量 子 点能级 的 分布 如何 影 响辐射 复 合 几率 ，从 而影 响 光伏 电池 的暗 电流 、开 路 电压 等；③ 由量 子点 尺寸 决 定的量 子 点能级 的空 间分布 与量 子 点 电池的 转换 效 率之 间有 怎样 重要 的关 系；④ 量 子 点尺寸 和 密度 控制 在怎样 的程 度方 可以使转 换效率 得到提 高等等 。 随 着量子 点 材料 在发 光材料 的成功 ，量 子点 材料 光　
伏 电池 的研 发

也 将取 得 成果 。
（ 参考文献编者略 ）
３关于量子点材料光伏电池 ．
量子点具有 比量子 阱更强 的作 用 ， 可用 量子点从 太 阳光吸收 一个 宽排 的光 子能 量后再 发 射几个 波长 的能量 。Ａｒｈ ｒ Ｊ ｔ ｕ ．Ｎｏ ｉ ｚｋ在实 验室 开发量子 点物 质 ，推进 单层高 效率太 阳 电池 的研究 。Ｈ．Ｐ ｅｔ ｇ ｒｓｉ ｎ
用多层氧化硅 （ 多层膜 ）中排列的Ｇ 量子点层夹在 ｅ Ｓ（ 型） ｉ ｉ 之间制成电池 ， ｉ Ｐ 一Ｓ （ ） 当达到 ７ 层时， ５ 量 子点的密度增大 ， 红外光谱的吸收增强了１％ （ ０ 与无 夹层 比） ，使光 生 电流增加 （ 能区 ） 低 ；但 由于 Ｇｅ 量 子点又起到载流子复合与捕获中心的作用而导致开　
路电压减 小 了。 见为提 高短路 电流 、 可 开路 电压 ， 必　
须优化 设计 量子 点结 构 ，以获得 较高 的光 电转 换效 率。更重要 的是 ， 要对 Ｓ／ ｅ ｉＧ 量子 点层 的机理 进行研 究 ，并 用 以指导 最佳化 设计 。 量 子点被称 为 “ 造原子” 人 ，一般 尺度为 几十纳 米， 其能带结构与原子相象。 电子和空穴受到三维量　
子限域 效 应影 响而呈 现不 连续 的能级 。尺度直 接决　
定量子点的能级。对于 一 维情况 ， 能级遵从式 （） １：
1本文由xiazyan贡献
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量子点材料光伏电池的研究
大连交通大学 ■　薛钰芝
摘 要：本文简单分析现有光伏电池的发展现状，介绍第三代太阳电池的研发目标，对多层膜、 量子点材料的光伏电池的原理进行阐述。 关键词：太阳能电池；多层膜；量子点
１．概述
太阳能是最清洁的可再生能源。当前，各国将太 阳能光伏发电摆在可再生能源利用的重要位置， 它已 成为全球增长最快的高新技术产业之一。 太阳能光伏 电池的研发经历了三个阶段， 目前研发和商品化的为 第一、二代太阳电池（表 １） 。由表可见，已商品化的 大部分为单晶、多晶硅材料的太阳电池。 常规单结半导体电池只能转换接近和高于带隙 能量的光子。导致效率降低的主要因素是（图 １） ： （１）光子激发电子 － 空穴对通过能带间隙时，较高 能量（频率高）和较低能量（频率低）的光子的产
表 １　第一、二代太阳电池 太阳电池 第一代太阳电池 组 分 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池 铜铟硒薄膜太阳 第二代太阳电池 （薄膜太阳

电池） 电池ＣＩＳ　（ＣｕＩｎＳｅ２） ＧａＡｓ 太阳能电池 ＴｉＯ２ 染料敏化 太阳电池 １１％（实验室） 将商品化 效 率 ２４．７％（ＵＮＳＷ） １６～１７％ １２％～１７％ １３％（实验室） ５～８％（产品） 商业化情况 实验室 商品化 商品化 商品化 商品化 特 点 高效率 价格较贵 产品很多 价格较低但有衰退 铟是稀有贵金属 效率较高，价格贵 价格较低 不太稳定
７～１１％（实验室） 正在实现商品化 超过 ３０％ 空间应用
出效率相同，导致效率降低 ４４％； （２）光子激发电 子 －空穴的复合作用与材料缺陷及光激发逆过程有 关； （３）电极引线接触处复合作用等。可见太阳光 谱能量并未得到充分的利用。根据理论计算，最大 的太阳能光电转换效率可达 ９３．３％；串列式太阳电 池的光电转换效率最大为８６．８％。 目前实验室单晶硅 太阳电池最高效率仅为 ２４．７％，因此，提高太阳能电 池的光电转换效率大有潜力。 充分利用太阳能的全光谱，提高太阳电池的光 电转换效率；降低成本，并有利于环境保护和生态 平衡，是第三代光伏电池的目标。为此，各国正在 开展以下几方面的研究： （１）应用自然界含量丰富，无毒的原材料；经
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掺杂建立中间能隙，发挥杂质光伏作用，增加能隙 值范围的材料； （２）对入射光进行波长调制，以获 得与电池匹配的特性，在光伏电池中运用，以充分 利用全波长太阳光谱； （３）研究“热载流子”的光 伏特性； （４）进行光伏学的模拟计算，研发应用软 件； （５）研究光与电磁相关的问题，进行天线结构 收集光的热动力学计算、 表面电子振荡的表面等离 子体的研究等； （６）其他相关问题的研究。 欧共体 ６ 国综合项目提出的目标为：研究多结 太阳电池（MJC） ；热光伏学（TPV） ；中间带太阳电 池和材料（IBC） ；探索分子基础的概念（MBC） ；研 究加工技术和预期标准化工作（MFG） 。
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２ ｈ２ ｋ ２ｎ ２ πｈ２ ｎ ２ ＝ ２ｍ ＊ ２ｍ ＊ Ｌ ２
Ｅ２ｎ ＝
（１）
图１　导致光伏电池效率降低的因素示意图
２．关于多层膜材料光伏电池 采用纳米多层膜微结构的材料制作光伏电池， 突破常规光伏电池的基本原理， 有望获得较高的能 量转换效率。主要原因为： （１）纳米微结构材料的 晶粒尺寸与载流子的散射长度是同数量级， 散射速 率减小，增长载流子的收集效率； （２）由于微结构 的电子态密度增大，使其具有较强的吸收系数，

控 制微结构的尺寸， 可吸收特定能量范围的光子； （３） 通过层与层的堆垛， 可在较宽的波长范围内光的吸 收能力增强， 将会提高光电转换效率（４） ； 纳米多层 膜中，多量子阱结构及杂质能级将形成超晶格中的 微带效应，使得电子可以在垂直于超晶格界面的方 向输运， 发生共振隧穿、 场致局域态间的跳跃导电等 现象， 从而可大大提高光电转换效率 （５） ； 低维材料 热载流子辐射收集时间比能量松弛时间短，运用热 载流子的原理， 就有可能使全部电流输出， 而热晶格 即热吸收体存在可以阻碍光生载流子能量发生松弛， 从而提高光电转换效率。新一代光伏电池的研究将 按照由“多层膜——叠层半导体材料——量子阱材 料——量子点材料”的路线发展。 ３．关于量子点材料光伏电池 量子点具有比量子阱更强的作用， 可用量子点从 太阳光吸收一个宽排的光子能量后再发射几个波长 的能量。Ａｒｔｈｕｒ　Ｊ．　Ｎｏｚｉｋ 在实验室开发量子点物 质，推进单层高效率太阳电池的研究。 Ｈ．　Ｐｒｅｓｔｉｎｇ 用多层氧化硅（多层膜）中排列的 Ｇｅ 量子点层夹在 Ｓｉ（Ｐ 型）－Ｓｉ （ｉ） 之间制成电池， 当达到７５层时， 量 子点的密度增大， 红外光谱的吸收增强了１０％ （与无 夹层比） ，使光生电流增加（低能区） ；但由于 Ｇｅ 量 子点又起到载流子复合与捕获中心的作用而导致开 路电压减小了。 可见为提高短路电流、 开路电压， 必 须优化设计量子点结构，以获得较高的光电转换效 率。 更重要的是， 要对Ｓｉ／Ｇｅ 量子点层的机理进行研 究，并用以指导最佳化设计。 量子点被称为“人造原子” ，一般尺度为几十纳 米， 其能带结构与原子相象。 电子和空穴受到三维量 子限域效应影响而呈现不连续的能级。尺度直接决 定量子点的能级。对于一维情况， 能级遵从式 （１） ：
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其中，ｈ 为普朗克常数（Ｐｌａｎｋ’ｓ　ｃｏｎｓｔａｎｔ） ， ｋ 为 ｚ 方向波矢量（ｗａｖｅ　ｖｅｃｔｏｒ） ，ｍ＊ 为粒子等效 质量， Ｌ为膜层厚度， 而ｎ为量子数。 所以厚度愈小， 量子化能级之间的能量差愈大。图 ２ 为量子尺寸效 应的示意图， 当尺寸减小时， 使得能隙上升。 式 （１） 为一维情况，而量子点在三维情况下均有量子尺寸 效应，若采用量子点材料，将会有以下作用：
图２　量子尺寸效应示意图
（１） 吸收系数增大 量子点限域效应使能隙随粒 ： 径变小而增大，所以量子点结构材料可吸收宽光谱 的太阳光。量子点尺度更小时，处于强限域区易形 成激子，产生激子吸收带，随着

粒径的减小，吸收 系数增加。激子的最低能量蓝移。也使其对光的吸 收系数范围扩大。 （２）带间跃迁，形成子带：其光谱是由于带间 跃迁的一系列线谱组成。带间跃迁可以使得入射光 子能量小于主带隙的光子转化为载流子的动能。可 以有多个带隙起作用，产生电子－空穴对。 （３）量子隧道效应与载流子的输运：光伏现象 的实质是材料的内光电转换特性，与电子的输运特 性有密切关系。 电子在纳米尺度量子点空间中运动， 当有序量子点阵列内的量子点尺寸与密度可控时， 量子隧道效应更显现，利于载流子输运。因量子阱 在横向的尺度不是纳米量级，所以可能使得光生载 流子的逃逸容易在两层膜之间发生。而量子点有三 维的量子限域作用，如果尺寸与密度控制得当，这 个问题可以避免。 关于量子点对光生载流子的逃逸、 捕获与复合的过程的机理有待于进一步探讨。例如 ①量子点中光生载流子如何贡献于光生电流 ②量 ； 子点能级的分布如何影响辐射复合几率，从而影响 光伏电池的暗电流、开路电压等；③由量子点尺寸 决定的量子点能级的空间分布与量子点电池的转换 效率之间有怎样重要的关系；④量子点尺寸和密度 控制在怎样的程度方可以使转换效率得到提高等等。 随着量子点材料在发光材料的成功，量子点材料光 伏电池的研发也将取得成果。
（参考文献编者略）
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