量子点敏化太阳能电池介绍详解.ppt

* * * * * * * 课程教师： 学生： 学号： 讲课时间：2015.12.2 太阳能电池分类与发展 讲解目录 量子点基础知识 量子点敏化太阳能电池 量子点敏化剂的制备方法 量子点敏化太阳能电池光电转化效率低的原因 结 语 量子点敏化太阳能电池效率提高的途径 01 第一代太阳能电池 02 03 一、太阳能电池分类与发展 晶体硅太阳能电池： 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 特点：发展时间长，技术成熟，光电转化效率高，但制作成本高、工艺复杂生产过程中还存在高能耗和环境污染问题 第二代太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池： 碲化镉、砷化镓、铜铟镓硒等太阳能电池 特点：较第一代太阳能电池，光电转化效率较低、成本较低、易于工业化生产，但某些元素为重金属元素具有严重的污染性（如镉），某些原材料为稀有元素，原材料来源受限制 第三代太阳能电池 新型薄膜太阳能电池： 染料敏化太阳能电池（DSSC） 有机聚合物太阳能电池 特点：工艺简易、成本低、材料来源广、可大面积印刷、理论光电转化效率高、前景广阔 一、太阳能电池分类与发展 染料敏化太阳能电池的种类： 准固态染料敏化太阳能电池 全固态染料敏化太阳能电池 叠层染料敏化太阳能电池 柔性染料敏化太阳能电池 单基板染料敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池 是指半径小于或接近于激子玻尔半径（10nm），表现出量子效应的准零维(quasi-zero-dimensional)纳米颗粒。 从外观上看，量子点恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，即量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。 1、什么是量子点（Quantum Dots,QDs） 二、量子点基本知识 将量子点作为敏化剂附着到半导体光阳极上即称为量子点敏化太阳能电池 2、量子点特性 可以通过调控量子点的尺寸改变量子点的带隙，而拓宽吸光范围； 化学稳定性好 合成过程简单、易制备 具有高消光系数和本征偶极矩，使得量子点太阳能电池的光吸收层可以制备的很薄，便于电子-空穴快速分离，降低成本 相对于半导体材料，量子点引入太阳能电池中使电子给体和受体材料的能级匹配容易实现，实现高光电转换效率 可以吸收一个高能光子产生多个电子-空穴对即多激子效应 二、量子点基本知识 研究表明，量子点的带隙宽度与激子玻尔半径的平方成反比，因此，量子点的吸光范围可以通过调控其尺寸来调节 1、量子点敏化太阳能电池工作原理 1、量子点受光激发由基态跃迁到激发态，同时产生电子-空穴对； 2、激发态的量子点将电子注入到半导体的导带中（电子注入速率常数为kinj）； 3、半导体导带中的电子在纳米晶格中传输到后接触面而流入到外电路中； 4、氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生； 5、还原态的电解质还原氧化态的量子点使量子点再生； 三、量子点敏化太阳能电池 三、量子点敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池与传统染料敏化太阳能电池的工作原理、电池结构特征和电子转移过程基本相同 主要差异在于 ：以无机窄禁带量子点取代传统的钌染料或有机染料作为敏化剂，即以量子点敏化的多孔n型半导体纳晶（TiO2为主）为光阳极，加上含有氧化还原电对的电解液（例如S2-/S22-）及具有催化活性的对电极构成。 2、量子点敏化太阳能电池的基本机构 半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极 三、量子点敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池的基本机构 半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极 半导体光阳极 功能：为电子传输提供通路，也是量子点敏化剂附着的载体 目前研究较多的光阳极材料是 TiO2。其他的宽带隙半导体如 ZnO、SnO2、Nb2O5、CdO、CeO等也是很有潜力的光阳极材料 三、量子点敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池的基本机构 半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极 量子点敏化剂 量子点通常是ⅡB-ⅥB 族和ⅢB-ⅤB 族元素组成的化合物，常用的量子点有 CdS、CdSe、CdTe、PdS、PdSe、InAs、InP、CuInS2等。 为了达到敏化效果，量子点的带隙宽度不宜太大，一般在 1.1～1.4 eV 范围内，量子点的价带要比电解质的氧化还原电势低，导带要比光阳极半导体的导带高 功能：量子点敏化剂是 QDSSCs 吸收光子的关键部分。 三、量子点敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池的基本机构 半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极 电解质 功能：在氧化还原反应中，将量子点价带上的空穴向外传递，以减少空穴密度从而降低激发态电子与空穴复合的概率。因此，电解质对氧化态量子点的还原速率必须大于量子点本身