量子点太阳能电池（Quantum dot solar cell. QDSC）是使用量子点作为吸收光伏材料的太阳能电池设计。 它试图取代散装材料，如硅，铜铟镓硒（CIGS）或CdTe。 量子点具有通过改变其尺寸可在多种能级上调谐的带隙。 在散装材料中，通过选择材料来固定带隙。 这种性质使得量子点对多结太阳能电池具有吸引力，其中多种材料用于通过收获太阳光谱的多个部分来提高效率。
截至2016年，效率超过10％。
背景
太阳能电池概念
在传统的太阳能电池中，光被半导体吸收，产生电子 – 空穴（eh）对; 该对可以被束缚并被称为激子。 该对由内部电场（存在于pn结或肖特基二极管中）分开，并且所产生的电子和空穴流产生电流。 通过掺杂半导体界面的一部分与充当电子供体（n型掺杂）的原子以及另一部分具有导致pn结的电子受体（p型掺杂）来产生内部电场。 eh对的产生要求光子具有超过材料带隙的能量。 有效地，能量低于带隙的光子不会被吸收，而那些较高的光子可以快速（在大约10-13秒内）热化到带边缘，从而降低输出。 前一种限制降低了电流，而热化降低了电压。 结果，半导体单元在电压和电流之间进行折衷（这可以通过使用多个结实施来部分地减轻）。 详细的平衡计算表明，如果将单一材料用于太阳能电池，则该效率不能超过31％。
数值分析表明，在1.3-1.4eV的带隙下实现31％的效率，对应于近红外光谱中的光。 这种带隙接近于硅（1.1 eV），这是硅主导市场的众多原因之一。 但是，硅的效率限制在29％左右。 通过垂直堆叠具有不同带隙的单元 – 可称为“串联”或“多结”方法，可以改善单结单元。 同样的分析表明，双层电池应该有一层调谐到1.64 eV，另一层调整到0.94 eV，理论性能为44％。 应将三层电池调谐至1.83,1.16和0.71 eV，效率为48％。 “无限层”电池的理论效率为86％，其余的热力学损失机制占其余部分。
由于缺乏带隙可调性，传统（晶体）硅制备方法不适合这种方法。 非晶硅薄膜由于晶体动量保持的宽松要求可以实现直接带隙和碳的混合，可以调节带隙，但是其他问题阻止了这些与传统电池的性能相匹配。 大多数串联电池结构基于更高性能的半导体，尤其是铟镓砷（InGaAs）。 对于实验例，三层InGaAs / GaAs / InGaP电池（带隙0.94 / 1.42 / 1.89eV）的效率记录为42.3％。
然而，QDSC遭受弱吸收，并且在室温下光吸收的贡献是微不足道的。 这可以通过利用多支金纳米星来解决。
量子点
量子点是半导体粒子，其已经减小到激子波尔半径的半径以下，并且由于量子力学的考虑，其中可能存在的电子能量变得有限，原子中的能量非常相似。 量子点被称为“人造原子”。 通过改变它们的尺寸可以调节这些能级，这又决定了带隙。 点可以在一系列尺寸上生长，允许它们表达各种带隙而不改变下面的材料或构造技术。 在典型的湿化学制剂中，通过改变合成持续时间或温度来完成调谐。
调整带隙的能力使得量子点成为太阳能电池所需的。 使用硫化铅（PbS）胶体量子点（CQD）的单结实施具有可以调谐到远红外线的带隙，这些频率通常难以用传统的太阳能电池实现。 到达地球的太阳能的一半是红外线，大部分是在近红外区域。 量子点太阳能电池使红外能量与其他任何电池一样可接近。
此外，CQD提供简便的合成和准备。 虽然悬浮在胶体液体形式中，但它们可以在整个生产过程中轻松处理，并且具有所需的最复杂设备的通风设备。 CQD通常以小批量合成，但可以大规模生产。 点可以通过旋涂，手工或自动过程分布在基板上。 大规模生产可以使用喷涂或滚动印刷系统，大大降低了模块制造成本。
生产
早期的例子使用昂贵的分子束外延工艺。 然而，晶格失配导致应变的累积并因此导致缺陷的产生，从而限制了堆叠层的数量。 液滴外延生长技术显示其在无应变QD的制造上的优势。 或者，后来开发了较便宜的制造方法。 这些使用湿化学（用于CQD）和随后的溶液处理。 通过长烃配体稳定浓缩的纳米颗粒溶液，使得纳米晶体保持悬浮在溶液中。
为了产生固体，这些溶液被抛弃[需要澄清]并且长稳定配体被短链交联剂取代。 化学工程化纳米晶体表面可以更好地钝化纳米晶体并减少有害陷阱状态，这会通过载流子复合来降低器件性能。[需要澄清]这种方法产生7.0％的效率。
最近的一项研究通过调整它们的相对带对准来将不同的配体用于不同的功能，从而将性能提高到8.6％。 将细胞在室温下在空气中进行溶液处理，并且在没有包封的情况下表现出空气稳定性超过150天。
2014年，引入了使用碘化物作为不与氧键合的配体。 这样可以保持稳定的n型和p型层，提高吸收效率，从而将功率转换效率提高到8％。
历史
使用量子点作为高效率途径的想法首先由Burnham和Duggan在1990年注意到。当时，量子点的科学，或者众所周知的“井”，其处于起步阶段，早期的例子只是变得可用。
DSSC的努力
另一种现代电池设计是染料敏化太阳能电池或DSSC。 DSSC使用海绵状的TiO层
2作为半导体阀以及机械支撑结构。 在构造过程中，海绵填充有机染料，通常是钌 – 聚吡啶，其在光激发时将电子注入二氧化钛中。 这种染料相对昂贵，钌是稀有金属。
从DSSC研究的早期开始就考虑使用量子点作为分子染料的替代品。 调整带隙的能力允许设计者为电池的其他部分选择更多种材料。 来自多伦多大学和洛桑联邦理工学院的合作团队开发了一种基于后电极的设计，该电极直接与量子点薄膜接触，消除了电解质并形成了耗尽的异质结。 这些电池的效率达到7.0％，优于最好的固态DSSC器件，但低于基于液体电解质的电池。
多结
碲化镉（CdTe）用于吸收多个频率的细胞。 将这些晶体的胶体悬浮液旋涂到诸如薄玻璃载片的基底上，封装在导电聚合物中。 这些电池不使用量子点，而是与它们共享特征，例如旋转铸造和使用薄膜导体。 在低生产规模下，量子点比大规模生产的纳米晶体更昂贵，但镉和碲化物是稀有的，高毒性金属受价格波动的影响。
萨金特集团[谁？]使用硫化铅作为红外敏感电子供体，生产出具有记录效率的红外太阳能电池。 旋转铸造可以以极低的成本构建“串联”电池。 原始电池使用金基板作为电极，尽管镍也可以。
热载体捕获
提高效率的另一种方法是在从单带隙材料发射时捕获电子中的额外能量。 在像硅这样的传统材料中，从发射部位到收集它们的电极的距离太远而不能发生这种情况。 电子将与晶体材料和晶格发生许多相互作用，放弃这种额外的能量作为热量。 尝试使用非晶薄膜硅作为替代方案，但这些材料固有的缺陷压倒了它们的潜在优势。 现代薄膜电池通常比传统硅效率低。
纳米结构的供体可以作为均匀的薄膜浇铸，以避免缺陷问题。 这些将受到量子点固有的其他问题的影响，特别是电阻率问题和保温。
多个激子
2004年，洛斯阿拉莫斯国家实验室报告了光谱证据，证明在量子点中吸收单个高能光子后可以有效地产生几个激子。 捕获它们会在阳光下捕获更多能量。 在这种被称为“载流子倍增”（CM）或“多激子产生”（MEG）的方法中，量子点被调谐为以较低能量释放多个电子 – 空穴对而不是以高能量释放一对。 这通过增加光电流来提高效率。 LANL的点由硒化铅制成。
2010年，怀俄明大学使用DCCS细胞表现出类似的表现。 当进入的光子具有带隙能量的约三倍时，铅 – 硫（PbS）点表现出双电子射出。
2005年，NREL在量子点中展示了MEG，每个光子产生三个电子，理论效率为65％。 2007年，他们在硅片方面取得了类似的成果。
非氧化性
2014年，多伦多大学集团制造并展示了一种使用PbS进行特殊处理的CQD n型电池，使其不与氧气结合。 该电池的效率达到8％，仅略低于目前的QD效率记录。 这种细胞产生了未涂覆的“喷涂”细胞的可能性。 然而，这些空气稳定的n型CQD实际上是在无氧环境中制造的。
同样在2014年，麻省理工学院的另一个研究小组展示了空气中稳定的ZnO / PbS太阳能电池，这些太阳能电池是在空气中制造的，并且实现了8.55％的记录效率（实验室中为9.2％），因为它们能够很好地吸收光，同时还可以将电荷传输到收集器。细胞的边缘。 这些电池对量子点太阳能电池表现出前所未有的空气稳定性，在空气中储存150天以上，性能保持不变。