量子点及量子点太阳能电池
肖雨晴 106030042
（一）量子点概念
量子点，电子运动在三维空间都受到了限制，因此有时被称为“人造原子”、“超晶格”“超原子”或“量子点原子”，是20世纪90年代提出来的一个新概念。 量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。量子点，又可称为纳米晶，是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1～10nm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。
(二)量子点 - 量子效应
量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应。
1、表面效应
表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大的比表面积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多．使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显著下降，通常低于1%，因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。
2、量子限域效应
由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。对于量子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径aB相当或更小时，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，激子带的吸收系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。最新的报道表面，日本NEC已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于Waboer激子Bohr半径岭时，处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由干带间跃迁的一系列线谱组成。
3、宏观量子隧道效应
传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量．当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。100nm被认为是微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子效应将起主要功能．电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应，电子的能级是分立的．利用电子的量子效应制造的量子器件，要实现量子效应，要求在几个μm到儿十个μm的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电．电子从一个量子阱穿越量子垫垒进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。
4、量子尺寸效应
通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则谱蓝移现象也越显著，这就是人所共知的量子尺寸效应。 （三）量子点太阳能电池结构
1.肖特基型结构
该电池利用P型纳米晶半导体薄膜和低功函数的金属(铝,钙,镁等)接触或者N型半导体和高功函数的金属(铂,金等)接触后形成的肖特基结作为光生电荷分离的驱动力\鉴于硫化铅本身半导体特性为P型,形成肖特基结无需用贵金属如铂!金等,因此报道较多\在这些器件中,能带弯曲现象只发生在纳米晶薄膜区域,故整个电池的耗尽层集中在该区域\此时由肖特基势垒
形成的内建电场促进光生电荷的分离,得到的电子流入功函数较低的金属电极从而进入外部电路,而空穴则流入ITO或FTO透明导电玻璃\。
肖特基太阳能电池结构
2. 量子点敏化太阳能电池
量子点太阳能电池的电解池是由光阳极、电解质和光阴极组成的“三明治”结构电池。光阳极主要是在导电衬底材料上制备一层多孔半导体薄膜，并吸附一层光敏化剂；光阴极是在导电衬底上制备一层含铂或碳等的催化材料。
下面以ＣｄＳｅ－ＴｉＯ２为例介绍量子点敏化电池的工作原理。如图１所示，首先电解质中的ＣｄＳｅ吸收光子，使电子激发到导带，同时在价带产生空穴，由于量子点的导带和 ＴｉＯ２的导带能级非常匹配，所以纳米ＣｄＳｅ导带上产生的电子就会注入到ＴｉＯ２的导带，然后传输到收集电极，另外一极同时发生氧化还原反应，将电子重新还原给ＣｄＳｅ 纳米颗粒，从而完成一个循环。
量子点(Quantum dots, 简写为QDs), 即半径小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶粒, 一般是II ～VI, III ～V 族窄禁带的纳米半导体颗粒. 常用的半导体材料如PbS, CdS , CdSe, InAs和Bi2S3等都可以用作光敏剂. 窄禁带的半导体量子点制备简单, 成本较低,也是一种良好的光敏化剂, 相应的器件就是 QDSSC. 作为半导体核-壳型复合体而言, 强调通过核-壳两组分的能带设计来达到制备有独特光电特性的纳米复合体. 根据复合双方的导带价带之间的相互位置关系,又可以分为: type I 和type II 两类。 如果核的能带高于( 或低于) 壳的能带, 而价带低于( 或高于) 壳的价带, 是属于type I 的纳米复合半导体; 如果核的能带和价带都低于( 或高于)壳的价带, 是属于type II 型的纳米复合半导体. 典型的有CdS@TiO2, CdTe@CdSe, CdS@CdSe等, 在这类半导体体系中, 两种载流子分别被限域在核和壳中, 抑制了无辐射跃迁复合, 从而有效地提高荧光寿命. 同时相对于单种半导体, 又拓展了吸收波长的范围, 在光伏特领域有着广阔的应用前景.