量子点太阳电池的应用和发展

太阳能光伏系统的应用与普及受技术、价格等的影响。其中，提高太阳电池的转换效率尤为重要。一方面，目前应用较多的是单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、化合物电池 (如CIS) 以及有机太阳电池等，就转换效率而言，这些太阳电池的转换效率还有待进一步提高，尽管人们一直在着力研究如何提高转换效率，但由于技术水平等原因，短期内转换效率难有大幅度提高; 另一方面，由于受制造太阳电池的高纯度硅的价格、硅材料涨价等因素的影响，人们开始考虑不使用硅的新型电池的可能。

图3.38 球状太阳电池方阵

图3.39 建筑物一体透明组件

欧洲的科学家于20世纪90年代提出了量子点 (Quantum Dot) 太阳电池。量子点太阳电池利用电子的量子力学的波动性质，形成新的光吸收带，将广波长范围的光能转换成电能，是一种新概念太阳电池。量子点太阳电池的理论转换效率可达63%左右，预计2015年开始使用，2050年将进入普及阶段。作为21世纪的新型太阳电池，目前正竭尽全力进行研发。

大家知道，宇宙中的物质是由原子构成的，目前使用的太阳电池也不例外，它是由各种原子经过组合制成的。但随着科学技术的发展，人们发现太阳电池可以用“人工原子”制成，也就是用量子点状晶体制成。所谓量子点状晶体是指用多种元素经过融合后的物质制成的极小粒子，直径大约为10nm (1nm为10－9m) 以下，适用于量子力学大小的粒子。在原子或分子等微观世界中，物体的运动与我们生活的世界有着显著的不同，我们所生活的世界遵循牛顿力学规律，而原子或分子等微观世界则遵循量子力学法则，因此，量子点状晶体遵循量子力学法则。

量子点 (或称量子箱) 是指将电子封在三维的微小的箱中的意思。箱的边长约10nm，改变其尺寸可改变吸收光的波长，即小箱可吸收短波长的光，大箱可吸收长波长的光。量子点像固体中的原子一样运动时，在箱中产生分散能级，使电子的运动能量增大，带隙增大，使所吸收光的能量增大。另外，将大量的量子点进行高密度配置，并使它们之间的间隔变小，在量子点将产生相互作用，便形成新的吸收带 (微带)。扩展吸收光的波长范围，可覆盖广范围的太阳光频谱，因此大大地提高了太阳电池的转换效率，其理论转换效率可达63%左右。

量子点太阳电池的量子点电子状态如图3.40所示。在带隙较大的半导体中嵌入带隙较小的半导体，量子点 (箱) 的边长为10nm左右，它将电子封入其中，电子和空穴产生分散的能级。图3.41为量子点超格子的电子状态。将量子点进行高密度配置并形成量子点超格子，使其产生相互作用。

图3.40 量子点的电子状态

图3.41 量子点超格子的电子状态(www.xing528.com)

图3.42为量子点电池的构成和发电原理，图3.43为量子点电池的放大结构，图3.44为量子点电池的构造 (电子显微镜照片)。它由P型半导体、小量子点(吸收短波长光)、大量子点 (吸收长波长光)、N型半导体、衬底、透明电极以及背面电极等构成。量子点太阳电池的发电原理如图3.42所示，当密封在点状结构中的电子受到太阳光的照射时，它吸收光的能量并处在高能状态，当从此状态回到基底状态时则释放出能量便产生电能，当外接电灯等负载时则有电流通过使电灯发光。

量子点太阳电池具有许多特点。由于量子点状晶体是“人造原子”，与将天然的元素进行组合而制成的晶硅等太阳电池不同，人们可以方便、灵活、自由自在地设计或改变其性质、性能。

图3.42 量子点电池的构成和发电原理

图3.43 量子点电池放大结构

图3.44 量子点电池的构造 (电子显微镜照片)

普通的原子吸收光能，吸收何种波长 (色) 的光，完全由各原子决定。对量子点来说，改变其直径的大小，可调整其对各种波长的光的吸收，因此可使量子点太阳电池选择太阳光中最强光的波长，使量子点太阳电池输出功率最大。

另外，在狭窄的范围内集合更多的量子点，在量子点间引起相互作用，可吸收范围更广的波长的光，也就是说可使量子点太阳电池吸收从长波长 (红色) 到短波长 (紫色) 的全部太阳光。

目前，量子点太阳电池按使用的材料划分，一般有由镉Cd-硫磺S构成的CdS太阳电池，铟In-镓Ga-砷As构成的InGaAs太阳电池以及由硅Si构成的Si太阳电池等种类。如果按结构来分可分为量子点积层型、中间带宽型以及MEG型等太阳电池，目前，科学家们正着力研发这三种太阳电池，虽然量子点太阳电池还处在基础研究阶段，但预计2015年开始使用，2050年将进入普及阶段。