QDs量子點太陽能電池與器件的優(yōu)化和光學應用

摘 要：QDS量子點物質(zhì)在太陽光的可見光范圍內(nèi)具有很好的發(fā)光反應，與其他的電致發(fā)光器件材料相比，納米晶量子點具有很多潛在優(yōu)勢，例如熒光量子率高，發(fā)射光譜窄，發(fā)射波長方便調(diào)整，化學穩(wěn)定性能好等優(yōu)異的光學、電學性能，使其成為很具有研究方向的電致發(fā)光材料，而利用這些性質(zhì)和優(yōu)勢使量子點物質(zhì)在光伏電池和電致發(fā)光器件方面具有很好的應用前景。

關(guān)鍵詞：量子點 電致發(fā)光 紅綠藍三基色調(diào)節(jié)

中圖分類號：TB383.1文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0065-01

量子點（簡稱QDs）是指直徑等于或小于激子玻爾直徑半導體納米顆粒，其顆粒尺寸在10 nm以內(nèi)，電子在晶體空間結(jié)構(gòu)上的運動都受到限制，因此，屬于一種空維度的半導體納米材料。量子點在具有相同晶體規(guī)則原子排列的同時，又具有很多其他的特性效應，如表面效應、定域效應、量子尺寸效應、量子隧穿效應，這使得量子點物質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有固體物理量子化，促成了微觀與宏觀在特性上的聯(lián)系。Ⅱ-Ⅵ族量子點則是由第二族元素和第六主族元素化合后形成的量子點，因具有不同其他物質(zhì)的可見光區(qū)熒光特性，目前已廣泛應用于光伏電池、半導體發(fā)光材料等領(lǐng)域[1]。

1 量子點太陽電池的物理機理

半導體量子點太陽電池作為新一代太陽電池具有明顯的優(yōu)勢，它通過以下兩個效應可以顯著提高其光電轉(zhuǎn)換效率：首先是來自具有一定能量的光子激發(fā)產(chǎn)生較多的電子-空穴對；第二個效應是在帶隙里形成過渡帶，這樣可以與相鄰或者相接的帶隙有一定的聯(lián)系，進而來產(chǎn)生電子-空穴對。這兩個效應的產(chǎn)生是因為量子點中的能帶能級物理化。當一般的太陽能電池中由于熱激發(fā)或者吸收光后產(chǎn)生的能量激發(fā)出的電子并不能滿足充足的光伏效應，這是因為只有在吸收的光子能量達到太陽光光譜的某些區(qū)域能量閥值才會產(chǎn)生有作用的電離反應。在大多數(shù)半導體中用于電子對分離的能量超過了能量守恒的原則，但是在晶體內(nèi)部要滿足能量守恒和動量守恒，而且分離的幾率必須和由晶格振動產(chǎn)生的聲子散射引起的弛豫幾率接近。

2 量子點太陽電池的過渡帶結(jié)構(gòu)

過渡帶太陽電池能夠捕獲小于帶隙間能量差距的光子量，使太陽能電池在不改變其短路電流的情況下增大其開路電壓，因此它是目前新一代太陽電池研究中最具研究方向性的。在過渡帶太陽電池的研究方向中，最具代表性的問題是有關(guān)于光的吸收和接收。我們希望寬能級的能隙能夠吸收具有能量的光子，為了使被吸收的光子輸出的并確保熱激發(fā)電子對熱損耗達到最小值，同時要求不同帶隙間的的光吸收系數(shù)不同，比如價帶到導帶的吸收系數(shù)比價帶到過渡帶的吸收系數(shù)大，其次滿足過渡帶必須不能夠是滿帶電子密度狀態(tài)，但是又不能夠使激子對的能量密度太低，這樣就能夠滿足電子激發(fā)的最基本條件。過渡帶材料的結(jié)構(gòu)如圖1。過渡帶通過一個沒有電子密度的帶將導帶價帶區(qū)分開，這樣使在帶間的載流子分離變的很困難，這樣可以認為電池的開路電壓是通過激子對準費米能級分離提供的，當然開路電壓是與高帶隙有關(guān)，這時在每個帶中的每一對激子狀態(tài)通過它們的準費米能級來描述。在對過渡帶方法的強光電轉(zhuǎn)換理論研究中顯示：在1個有限的太陽光照下的效率最大值大約為45%，而在全聚光條件下效率大約為62%。過渡帶電池的能級可通過納米量級的半導體量子點激發(fā)在相對寬帶隙半導體材料來實現(xiàn)——量子點勢阱。

3 量子點電致發(fā)光器件的研究

（1）量子點的光學特性

量子點的發(fā)光性質(zhì)除了與材料的組分及類型有關(guān)外，還與自身顆粒尺寸大小相關(guān)，顆粒尺寸越大，發(fā)射光波長越大。通過改變Ⅱ-Ⅵ族半導體量子點的化學組成和尺寸大小可以使其亮度發(fā)射波長覆蓋太陽光中的可見光范圍，達到紅綠藍顏色的漸變效果。因此，可以通過改變量子點的尺寸間接可以影響其結(jié)構(gòu)中能隙的寬度，而能隙寬度決定了量子點發(fā)射光波的最要參數(shù)。在量子點的制備過程中，我們可以人為的改變和調(diào)節(jié)空間溫度，轉(zhuǎn)速，以及物質(zhì)濃度等條件來改變和調(diào)節(jié)納米粒子生長條件，這樣可以得到不同量子點的粒徑梯度，即能夠制備出發(fā)射不同波長的光學量子點物質(zhì)[2]。

量子點具有較寬較連續(xù)的受激發(fā)光范圍，而量子點的發(fā)射光譜峰值較窄，可以通過小于其發(fā)射波長的任意波長的光波來照射進而激發(fā)出量子點，這樣使得量子點物質(zhì)單色性能較好。Ⅱ-Ⅵ族量子點發(fā)射光譜可以覆蓋整個太陽光中的可見光譜區(qū)，發(fā)射光譜幾乎不會出現(xiàn)重復現(xiàn)象，而在實驗中可以使用一種波長的光波同時激發(fā)不同的參數(shù)的量子點物質(zhì)。因此，通過這一特性，可以同時標記不同的結(jié)構(gòu)成分，取得不同的結(jié)構(gòu)圖像進而完成很多熒光檢測等實驗。

4 II-VI族半導體納米晶量子點的合成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

制備基于陽極-空穴輔助層-電子輔助層-量子點發(fā)光層-空穴阻擋層-電子傳輸層-陰極結(jié)構(gòu)的多層電致發(fā)光器件。陽極選用ITO玻璃（當然FTO也是可以的）；空穴輔助層選用 TPD 物質(zhì)，電子輔助層可以采用敏感材料通過溶液旋涂得到；而量子點發(fā)光層采用無氧條件下同樣對基片旋涂的方法制備；電子傳輸層可以選用Alq3物質(zhì)，通過真空蒸鍍制備完成；陰極選用Al，Ca/Al等同樣通過真空蒸鍍制備。

5 結(jié)語

綜上所述，量子點作為電致發(fā)光器件時由于其表面容易被空氣氧化而降低其發(fā)光的亮度和強度性能，需要對制備成功的電致發(fā)光器件進行優(yōu)化和改善，尤其對于工藝中出現(xiàn)的物理甩膜和蒸鍍通過不斷改善分析得到最優(yōu)條件。但是Ⅱ-Ⅵ族量子點電池和器件具有反應速率快、選擇性較高、易于制備和檢測等特點，使其在各個化學分析領(lǐng)域具有一定的研究潛能。

量子點的光學應用還存在以下三個方面的問題值得進一步研究摸索：（1）制備熒光產(chǎn)率高的兼容性較好的量子點，需改進量子點的表面層優(yōu)化工藝，也會方便提高與生物的相似相容性；（2）量子點具有不穩(wěn)定性，這樣的問題主要由于存在于各類不同的介質(zhì)中時，大分子物質(zhì)和物理性吸附會影響其發(fā)光性能，所以調(diào)節(jié)量子點的物理特性對改善發(fā)光性能有很大的作用；（3）研究具備生物特性的量子點在作為生物熒光標記方面，尤其是對于生物檢測十分有研究潛力的可見光之外的區(qū)域，具有很重要的意義。