硅量子点在太阳能电池制备中的应用

刘青松 万尤宝 张建新

【摘 要】阐述了硅量子点太阳能电池的发展，分析了硅量子点太阳能电池的的设计理论，介绍了硅量子电池的制备工艺与应用，设计硅量子点太阳电池，制作了全硅高效太阳电池原型器件，表征太阳电池的光电性能参数，建立基于硅量子点的全硅高效太阳电池设计理论模型和制作工艺。

【关键词】硅量子点；太阳能电池；制备工艺

太阳能电池是一种通过光化学反应直接把光能转换为电能的装置。按其材料的不同，太阳能电池可以分为三类：晶硅太阳电池；薄膜太阳能电池；新型高效光化学太阳电池 。

目前在已应用中的太阳能电池，晶硅电池在其制备技术水平、光电转化效率方面能够北市场接受，因此，晶硅电池在市场中占有绝对的份额。 新型太阳能电池，在实验室中不断地取得重大的技术突破，发展迅速，应用前景广泛。硅纳米材料具有灵活可调的光学带隙、极强的光学吸收性、明显的多激子效应等优点，制备的太阳电池具有效率高、成本低、薄膜结构、无毒等特点，因而硅量子点材料可成为理想的太阳电池材料，可以用于制备高效的太阳电池。

1 量子点太阳能电池的物理机理

人们针对太阳能电池存在的能耗高、光电转换率低等缺点，人们提出了一些解决方案：如：增加带隙数量，制作多带隙叠层方法；热载流子俘获法；高能光子产生多个电子空穴对等等。目前，方案增加带隙数量，制作多带隙叠层太阳能电池已得到广泛的应用。

硅量子点太阳能电池通过以下两个效应可以有效的增加光电转换效率：（1）单光子激发产生多激子；（2）在带隙里形成中间带，可以有多个带隙起作用，并产生电子空穴对。这两个效应的产生是因为量子点中的能级量子化。能级量子化还会产生减缓热电子-空穴对的冷却；电荷载流子之间的俄歇复合过程和库仑耦合得到提高；并且对于三维限制的载流子，跃迁过程不必满足动量守恒。 中间带电池能够吸收和捕获低于带隙能量的光子，使太阳能电池可以提高光电流。

在中间带太阳能电池需要解决的基本问题中，光的有效吸收最关键的问题。为了使光子有最大能量输出的同时使载流子的热损失最小，最宽的能隙应首先吸收具有一定能量的光子，同时要求吸收系数从大到小依次为价带到导带，价带到中间带，中间带到导带，其次要求中间带必须是半满的，且电子空穴对浓度，能够满足电子跃迁的要求，即价带到中间带和中间带到导带的跃迁。

2 量子点太阳能电池材料及其制备研究

许多科研实验设计不同材料不同结构的量子点太阳能电池，证明了量子点的多激子产生、中间带效应会提高量子点太阳能电池电流密度和转换效率。常见的量子点材料有InAs/InGaAs，InAs/GaAs。有研究者證明调节生长方式是一种构造超高密度量子点结构太阳能电池的可行行为。

为了核实在高聚光条件下量子点太阳能电池吸收光谱的提高，美国国家可再生能源实验室研究了在高强度照射下比较了有20层量子点的太阳能电池和常规GaAs电池的短路电流和光电转换效率， 提高是很明显的。

在文献[2]中制备的CdHgTe和CdTe量子点太阳能电池，光电转换效率优良。文献[3]用间断沉积法制备了InGaAs量子点太阳能电池。

目前量子点太阳能电池结构常用的是P-i-n结构，如在非晶Si太阳能电池最早得到应用，其主要目的是利用p-n结自建电场对光生载流子提高收集效率。Seth Hubbard 和Ryne Raffaelle为了提高太阳能电池的转换效率，构造了InAs/GaAs 量子点提高太阳能电池，并证实了增加量子点的层数能提高量子点太阳能电池的外量子效率，也会影响电池的转换效率。他们将InAs量子点嵌入到GaAs的p-i-n 太阳能电池的中间， Takata等人利用应变补偿技术在GaAs衬底上生长20、25、100层InAs/GaNAs叠层。

目前，分散性硅纳米晶颗粒的制备方法主要有硅烷法、低温等离子体法、激光轰击硅靶法以及化学法等。此外，通过对富硅化物（如氧化硅、碳化硅、氮化硅）薄膜进行高温快速退火，促使其发生相分离和结晶，可以制备出镶嵌在硅化物中的硅纳米晶薄膜。

通过等离子体增强化学气相沉积（ PECVD） ，反应溅射法轮流沉积富硅氧化物和硅氧化物， 经过富硅层退火后制备硅量子点。富硅氧化物阻碍硅原子扩散是以障碍物的形式， 因此过量的硅就在退火过程中以纳米晶的形式被凝析出来， PECVD制备出的硅量子点的平均线度一般在 3-10 纳米。在文献中也提到了可在在富硅氧化物中凝析出硅量子点。

3 小结与展望

硅量子点太阳能电池有着良好的特性与优点，其中量子点敏化太阳能电池距离商业化应用最为接近，但真正意义上的量子点太阳能电池—基于多激子产生效应设计和制作的太阳能电池，还有待深入研究。量子点太阳能电池研究领域还有很多有待研究的工作，如光电转换机制的研究，硅量子点太阳电池的低温生长技术。研究低温 PECVD 法制备硅量子点太阳电池的工艺参数，形成硅量子点太阳电池生长方案，硅量子点太阳电池的模块化技术研究。研究基于模块化设计原理的便携式太阳能发电系统模块化方法及其装置制备技术，开发基于硅量子点太阳电池的便携式太阳能发电系统等。

基金项目：嘉兴市科技计划项目（2014AY11016）。

参考文献：

[1] 姜礼华， 曾祥斌， 金韦利， 张笑. 硅量子点在太阳能电池中的应用， 激光与光电子学进展， 2010.

[2] Hiroaki Tada， Musashi Fujishima and Hisayoshi Kobayashi. Photodeposition of metal sulfide quantum dots on titanium（IV） dioxide and the applications to solar energy conversion. Chem.Soc.Rev， 2011.

[3] Zusing Yang， Huan-Tsung Chang. Solar Energy Materials and Solar cells， 94（2010）， 2046-2051.

[4] T.sugaya， Y.Kamikawa， S.Furue， T.Amano， M.Mori， S.Niki. Solar Energy Materials and Solar Cells， 95（2011）， 163-166.

作者简介：

刘青松（出生年1965—），男、副教授，从事电气工程、新能源光电子材料研究。

（作者单位：嘉兴学院）