양자점 태양 전지 (quantum dot solar cell, QDSC)는 흡수 광전지 물질로서 양자점을 사용하는 태양 전지 설계이다. 그것은 실리콘, 구리 인듐 갈륨 셀레 나이드 (CIGS) 또는 CdTe와 같은 벌크 물질을 대체하려고 시도합니다. 양자점은 그 크기를 변화시킴으로써 넓은 범위의 에너지 레벨에 대해 조정 가능한 밴드 갭을 갖는다. 벌크 재료에서, 밴드 갭은 재료의 선택에 의해 고정된다. 이 특성은 태양 스펙트럼의 여러 부분을 수확하여 효율을 향상시키기 위해 다양한 재료가 사용되는 다중 접합 태양 전지에 매력적인 양자점을 만듭니다.

2016 년 현재 효율은 10 %를 초과합니다.

배경

태양 전지 개념
종래의 태양 전지에서, 빛은 반도체에 흡수되어 전자 – 홀 (electron-hole, e-h) 쌍을 생성한다. 쌍은 결합 될 수 있고 여기자 (exciton)라고 불린다. 이 쌍은 내부 전기장 (p-n 접합부 또는 쇼트 키 다이오드에 존재 함)에 의해 분리되고 전자와 정공의 결과적인 흐름은 전류를 생성합니다. 내부 전계는 반도체 계면의 한 부분에 전자 도너 (n 형 도핑) 역할을하는 원자와 전자 억 셉터 (p 형 도핑)가있는 원자를 도핑하여 pn 접합을 형성함으로써 생성됩니다. e-h 쌍의 생성은 광자가 물질의 밴드 갭을 초과하는 에너지를 가질 것을 요구한다. 효과적으로, 밴드 갭보다 낮은 에너지를 갖는 광자는 흡수되지 않고, 더 높은 밴드는 밴드 엣지에 빠르게 열을 가할 수있어 (약 10-13 초 이내) 출력을 감소시킵니다. 전 제한은 전류를 줄이는 반면 발열은 전압을 줄입니다. 그 결과, 반도체 셀은 전압과 전류 사이의 절충 (trade-off)을 겪는다 (다중 접합 구현을 사용함으로써 부분적으로 완화 될 수 있음). 태양 전지에 대해 단일 재료를 사용하는 경우이 효율이 31 %를 초과 할 수 없다는 상세한 균형 계산이 나와 있습니다.

수치 분석에 따르면 31 % 효율은 1.3-1.4 eV의 밴드 갭으로 달성되며 근적외선 스펙트럼의 빛에 해당합니다. 이 밴드 갭은 실리콘 (1.1eV)에 가깝다. 실리콘이 시장을 지배하는 많은 이유 중 하나이다. 그러나 실리콘의 효율은 약 29 %로 제한됩니다. “탠덤 (tandem)”또는 “다중 접합 (multi-junction)”접근법이라고하는 서로 다른 밴드 갭을 갖는 셀을 수직으로 적층함으로써 단일 접합 셀을 개선하는 것이 가능합니다. 동일한 분석은 2 층 셀이 1.64eV로 튜닝 된 하나의 레이어와 0.94eV로 튜닝 된 하나의 레이어를 가져야한다는 것을 보여 주며 44 %의 이론적 성능을 제공합니다. 3 층 전지는 1.83, 1.16 및 0.71 eV로 조정해야하며 효율은 48 %입니다. “무한대 – 층”셀은 86 %의 이론적 효율을 가지며 나머지 열역학 손실 메커니즘을 고려해야합니다.

기존 (결정질) 실리콘 준비 방법은 밴드 갭 조정 가능성이 없어이 접근법에 적합하지 않습니다. 비정질 실리콘 박막은 결정 모멘텀 보존에서의 편안한 요구로 인해 직접적인 밴드 갭과 탄소의 혼합을 가능하게하고 밴드 갭을 조정할 수 있지만 다른 문제로 인해 기존 셀의 성능과 일치하지 못하게되었습니다. 대부분의 직렬 형 셀 구조는 고성능 반도체, 특히 인듐 갈륨 비소 (InGaAs)를 기반으로합니다. 3 층 InGaAs / GaAs / InGaP 셀 (밴드 갭 0.94 / 1.42 / 1.89eV)은 실험 예에서 42.3 %의 효율 기록을 유지합니다.

그러나, QDSC는 약한 흡수를 겪고 실온에서 광 흡수의 기여도는 미미하다. 이것은 다분 지형 Au 나노 구조를 이용하여 해결할 수 있습니다.

양자점
양자점은 Exciton Bohr 반지름의 크기보다 작아 진 반도 전성 입자이며 양자 역학으로 인해 전자 에너지가 유한하고 원자 내의 많은 에너지를 갖습니다. 양자점은 “인공 원자”라고 불립니다. 이러한 에너지 레벨은 크기를 변경하여 조정할 수 있으며, 이는 다시 밴드 갭을 정의합니다. 도트는 다양한 범위의 크기로 성장할 수 있으므로 기본 재료 또는 구성 기법을 변경하지 않고 다양한 밴드 갭을 표현할 수 있습니다. 전형적인 습식 화학 제제에서, 튜닝은 합성 기간 또는 온도를 변화시킴으로써 달성된다.

밴드 갭을 조정하는 능력은 태양 전지에 바람직한 양자점을 만든다. 납 황화물 (PbS) 콜로이드 양자 도트 (CQD)를 사용하는 단일 접합 구현은 전통적인 적외선 셀에서 일반적으로 달성하기 어려운 원적외선 주파수로 조정할 수있는 밴드 갭을 가지고 있습니다. 지구에 도달하는 태양 에너지의 절반은 근적외선 지역의 적외선입니다. 양자점 태양 전지는 적외선 에너지를 다른 어떤 것과 마찬가지로 접근 가능하게 만든다.

또한 CQD는 합성과 준비가 쉽습니다. 콜로이드 액체 형태로 현탁 된 상태에서 생산 과정 전반에 걸쳐 쉽게 처리 할 수 ​​있으며, 가장 복잡한 장비로는 연기가 발생합니다. CQD는 일반적으로 작은 배치로 합성되지만 대량 생산이 가능합니다. 도트는 손으로 또는 자동화 된 공정으로 스핀 코팅에 의해 기판 상에 분포 될 수있다. 대규모 생산은 스프레이 – 온 또는 롤 – 프린팅 시스템을 사용하여 모듈 건설 비용을 획기적으로 절감 할 수 있습니다.

생산
초기의 예는 값 비싼 분자 빔 에피 택시 공정을 사용했다. 그러나, 격자 부정합은 변형의 축적 및 결함의 발생을 가져 오며 적층 수를 제한한다. Droplet epitaxy 성장 기술은 변형없는 QD의 제조에 장점이 있음을 보여줍니다. 대안으로, 덜 비싼 제조 방법이 나중에 개발되었다. 이들은 습식 화학 (CQD 용)과 후속 솔루션 처리를 사용합니다. 농축 된 나노 입자 용액은 나노 결정을 용액에 부양시키는 긴 탄화수소 리간드에 의해 안정화됩니다.

고체를 생성하기 위해, 이들 용액은 [정화가 필요함] 캐스팅되고, 긴 안정화 리간드는 단쇄 가교제로 대체된다. 나노 결정 표면을 화학적으로 조작하면 나노 결정을 더 잘 부동화 할 수 있으며 캐리어 재결합을 통해 장치 성능을 저하시키는 유해한 트랩 상태를 줄일 수 있습니다. [명확한 설명이] 접근법은 7.0 %의 효율을 발생시킵니다.

보다 최근의 연구는 상대 밴드 정렬을 조정하여 성능을 8.6 %로 향상시킴으로써 다른 기능에 대해 다른 리간드를 사용합니다. 세포는 상온에서 공기 중에서 용액 처리되었으며, 캡슐화없이 150 일 이상 동안 공기 안정성을 나타냈다.

2014 년에 산소에 결합하지 않는 리간드로서 요오드화물의 사용이 도입되었습니다. 이것은 안정적인 n 및 p 형 레이어를 유지하여 흡수 효율을 높여 전력 변환 효율을 최대 8 %까지 높였습니다.

역사
고효율의 경로로 양자점을 사용한다는 생각은 1990 년 Burnham과 Duggan에 의해 처음으로 언급되었습니다. 가능 해지고 있습니다.

DSSC 노력
현대의 또 다른 셀 설계는 염료 감응 형 태양 전지 또는 DSSC입니다. DSSC는 스폰지와 같은 TiO 층을 사용합니다
2를 반도체 밸브로 사용하고 기계적지지 구조를 사용합니다. 시공 중에, 스폰지는 유기 착색제, 일반적으로 루테늄 – 폴리 피리딘으로 채워지는데, 이는 광 여기에 따라 이산화 티타늄에 전자를 주입합니다. 이 염료는 비교적 고가이며 루테늄은 희귀 금속입니다.

분자 염료의 대안으로 양자점을 사용하는 것은 DSSC 연구의 초기부터 고려되었습니다. 밴드 갭 (bandgap)을 조정할 수있어 설계자는 셀의 다른 부분을 위해 더 다양한 재료를 선택할 수있었습니다. 토론토 대학교와 École Polytechnique Fédérale de Lausanne의 협조 그룹은 전해질을 제거하고 고갈 된 헤테로 접합을 형성하는 양자점 막과 직접 접촉하는 후면 전극을 기반으로 한 디자인을 개발했습니다. 이 셀은 7.0 %의 효율을 나타내었고, 최상의 고체 상태 DSSC 장치보다 좋았지 만 액체 전해질을 기반으로 한 것보다 낮습니다.

다중 접합
카드뮴 텔루 라이드 (CdTe)는 여러 주파수를 흡수하는 셀에 사용됩니다. 이들 결정의 콜로이드 성 현탁액을 도전성 폴리머로 포팅 된 얇은 유리 슬라이드와 같은 기판 상에 스핀 – 캐스트한다. 이 셀은 양자점을 사용하지 않았지만 스핀 캐스팅 및 박막 도체 사용과 같은 기능을 공유했습니다. 낮은 생산 규모에서 양자점은 대량 생산 된 나노 결정보다 비싸지 만 카드뮴과 텔루 라이드는 희귀하고 독성이 강한 금속으로 가격 변동에 영향을받습니다.

Sargent Group은 기록 효율 IR 태양 전지를 생산하기 위해 적외선에 민감한 전자 기증자로서 납 설파이드를 사용했습니다. 스핀 – 주조는 크게 감소 된 비용으로 “탠덤 (tandem)”셀을 구성 할 수 있습니다. 원래 셀은 니켈이 잘 작동하더라도 전극으로 금 기판을 사용했습니다.

핫 캐리어 캡처
효율성을 향상시키는 또 다른 방법은 단일 밴드 갭 물질에서 방출 될 때 전자에서 여분의 에너지를 포착하는 것입니다. 실리콘과 같은 전통적인 물질의 경우 방출 위치에서 수확되는 전극까지의 거리가 너무 멀어서이 현상이 발생하지 않습니다. 전자는 결정 물질 및 격자와의 많은 상호 작용을 겪어 열로서의이 여분의 에너지를 포기할 것이다. 대안으로 비결 정성 박막 실리콘이 시도되었지만, 이러한 재료에 내재 된 결함이 잠재적 우위를 압도했다. 최신 박막 전지는 일반적으로 기존 실리콘보다 효율이 떨어집니다.

나노 구조 공여체는 결함 문제를 피하는 균일 한 필름으로 주조 할 수 있습니다. 이것들은 양자점 고유의 다른 문제, 특히 저항성 문제와 열 유지의 영향을받습니다.

다중 엑시톤
2004 년 로스 알 라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory)는 양자점에서 단일의 에너지 광자를 흡수 할 때 여러 개의 여기자가 효율적으로 생성 될 수 있다는 분광학적인 증거를보고했다. 그들을 잡으면 햇빛 속에 더 많은 에너지를 잡을 수 있습니다. “캐리어 증배 (CM)”또는 “다중 여기자 생성 (MEG)”으로 알려진이 접근법에서, 양자점은 높은 에너지에서 한 쌍 대신 낮은 에너지에서 다중 전자 – 홀 쌍을 방출하도록 조정됩니다. 이는 증가 된 광 전류를 통해 효율을 증가시킵니다. LANL의 점들은 셀렌 화 납으로 만들어졌습니다.

2010 년 와이오밍 대학 (University of Wyoming)은 DCCS 셀을 사용하여 유사한 성능을 입증했습니다. 납 – 황 (PbS) 도트는 들어오는 광자가 밴드 갭 에너지의 약 3 배가되었을 때 2 전자 방출을 나타냈다.

2005 년에 NREL은 광자 당 3 개의 전자와 65 %의 이론 효율을 생성하는 양자점에서 MEG를 시연했습니다. 2007 년에 그들은 실리콘에서도 비슷한 결과를 얻었습니다.

비 산화성
2014 년 토론토 대학 (University of Toronto) 그룹은 PbS를 특수 처리하여 산소와 결합하지 않는 CQD n 형 셀을 제조 및 시연했습니다. 셀은 현재의 QD 효율 기록을 무시하고 8 %의 효율을 달성했습니다. 이러한 세포는 코팅되지 않은 “스프레이 – 온”세포의 가능성을 만들어 낸다. 그러나 이러한 공기 안정 형 n-type CQD는 실제로 무산소 환경에서 제조되었습니다.

또한 2014 년에 MIT의 또 다른 연구 그룹은 대기 중으로 제조 된 공기 안정 형 ZnO / PbS 태양 전지를 시연했으며, 8.55 %의 기록 효율 (실험실에서는 9.2 %)을 달성했습니다. 세포의 가장자리. 이 셀은 양자점 태양 전지에 대해 전례없는 공기 안정성을 보여 주며, 성능은 대기 중 150 일 이상 보관해도 변함이 없습니다.