舒婷

（湖北科技學院藥學院，湖北咸寧437100）

自1991年Gr?tzel[1]教授首次報道染料敏化太陽能電池獲得7.9%的轉化效率以來，染料敏化太陽能電池引起了研究者的廣泛關注。近年來，量子點敏化太陽能電池（QDSSC）的研究已成為熱點。相對常規(guī)的有機染料，量子點作為敏化劑有諸多優(yōu)點[2-4]：（1）成本低廉，制備工藝簡單；（2）吸光系數(shù)大，光穩(wěn)定性好；（3）可通過調(diào)控量子點的尺寸改變量子點的帶隙，使其更好的吸收太陽光譜；（4）量子點具有獨特的多激子發(fā)生的潛能，即吸收一個光子產(chǎn)生多個電子空穴對，這使得QDSSC具有更高的理論轉化效率（44%）[4]。然而，目前量子點敏化太陽能電池的光電轉化效率仍然不高。電解質(zhì)是量子點敏化太陽能電池的重要組成部分。高性能電解質(zhì)的缺乏是限制量子點敏化太陽能電池的光電轉化效率的主要因素之一。本文簡要介紹了電解質(zhì)的功能及分類，重點介紹了各類電解質(zhì)的研究進展。

1 電解質(zhì)的功能及分類

QDSSC主要由透明導電玻璃，納晶多孔半導體薄膜、量子點光敏劑、電解質(zhì)和對電極幾部分組成。其工作原理為，首先量子點吸收光子，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)量子點將電子注入到半導體的導帶中，半導體導帶中的電子傳至后接觸面而傳輸?shù)綄﹄姌O。電解質(zhì)中的氧化還原電對起到傳送電子的作用，它將電子傳輸給氧化態(tài)的量子點，使電池形成循環(huán)回路。QDSSC中的電解質(zhì)可以分為液態(tài)電解質(zhì)，準固態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)。

2 液態(tài)電解質(zhì)

多硫電解質(zhì)的溶劑中含水，導致電池的填充因子和電壓低。Li等[11]對多硫電解質(zhì)進行了改進，將Na2S鹽換成了（CH3）4N]2S鹽形成[（CH3）4N]2S/[（CH3）4N]2Sn多硫電解質(zhì)溶于有機溶劑3-甲氧基丙腈中，該電解質(zhì)的電荷傳輸阻抗比水體系的多硫電解質(zhì)低，制得的CdSQDSSC具有較高的開路電壓和填充因子（VOC=1.2V,JSC=3.0mA cm-2,FF=0.89），并獲得了3.2%的轉化效率。

除了無機多硫電解質(zhì)，金屬配合物電解質(zhì)也在研究者的探索之列。Tachibana等[12]利用氧化還原電對作為CdSQDSSC的電解質(zhì)。Lee等[13]利用[Co（o-phen）3]2+/3+氧化還原電對應用于PbS和CdSQDSSC中，在PdSQDSSC中，該鈷配合物離子電解質(zhì)比常用的Na2S電解質(zhì)更能有效的產(chǎn)生光電流。

近期，純有機多硫電解質(zhì)被用于QDSSC中。Ning等[14]將McMT-/BMT溶于乙腈和碳酸乙烯酯（V/V=6∶4）中制得純有機多硫電解質(zhì)，與水體系的多硫電解質(zhì)相比，它能明顯的降低電荷復合而具有更高的效率，主要體現(xiàn)在電池的開路電壓和填充因子有明顯提高。他們將純有機電解質(zhì)四甲基硫脲用于量子點敏化太陽能電池中，該電解質(zhì)降低了電解質(zhì)/對電極間的阻抗，使得電池的填充因子有明顯提高，并能顯著增加光電壓，使得電池的轉化效率比使用無機電解質(zhì)的高3倍[15]。

基于有機無機溶劑的電解質(zhì)容易揮發(fā)，而由高導電率，常溫下不易揮發(fā)的熔融鹽組成的離子液體電解質(zhì)能提高電池的穩(wěn)定性。Jovanovski等[16]通過1-丁基-1-甲基吡咯烷氯化物與Na2S·9H2O進行離子交換制備吡咯烷鎓離子液體電解質(zhì)，基于該電解質(zhì)的CdSe量子點敏化太陽能電池的轉化效率為1.86%，并能保持10d的穩(wěn)定壽命。

當前，在QDSSC的轉化效率不高的情況下，液態(tài)電解質(zhì)仍然是QDSSC電解質(zhì)的主要研究方向，缺乏高效穩(wěn)定的液態(tài)電解質(zhì)是QDSSC面臨的主要問題。

3 準固態(tài)電解質(zhì)

液態(tài)電解質(zhì)存在著易揮發(fā)的缺點，會很大程度影響電池的穩(wěn)定性。準固態(tài)電解質(zhì)通過加入固化劑將液態(tài)電解質(zhì)固化，減少液態(tài)電解質(zhì)的滲漏同時具備高的離子電導率。

孟慶波課題組[17]將丙烯酰胺和甲叉雙丙烯酰銨聚合制備的凝膠浸在1M Na2S，1M S的多硫水電解質(zhì)溶液中形成了準固態(tài)電解質(zhì)，電解質(zhì)在室溫的離子導電率為0.093 S·cm-1，用于CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池中獲得了4.0%的效率。

用于QDSSC中的準固態(tài)電解質(zhì)研究很少，主要是由于目前沒有合適的QDSSC液態(tài)電解質(zhì)，因此，限制了準固態(tài)凝膠電解質(zhì)的發(fā)展。

4 固態(tài)電解質(zhì)

準固態(tài)電解質(zhì)不能徹底解決的穩(wěn)定性問題可由固態(tài)電解質(zhì)較好的解決。QDSSC的固態(tài)電解質(zhì)可分為無機P型電解質(zhì)和有機空穴傳輸導體兩類。

4.1 無機P型電解質(zhì)

無機P型電解質(zhì)的載流子是空穴，常用的無機P型半導體材料有CuI和CuSCN。

Larramona等[18]在多孔n-型TiO2薄膜上，用薄層CdS量子點作吸收，以透明p-型無機物CuSCN進行孔填充制得固態(tài)光伏電池。用LiSCN（或KSCN）預處理能很大提高光電流，可能是硫氰酸鹽能改進CuSCN粒間的界面接觸或增加極性和電導率。太陽光照的電池效率為1.3%。

Chen等[19]以3-巰基丙基-三甲氧基硅烷（MPTMS）連接CdSe量子點和TiO2，并以CuSCN作為固態(tài)電解質(zhì)制備固態(tài)QDSSC，發(fā)現(xiàn)MPTMS的水解引入阻擋層，降低TiO2/CdSe界面的復合，增加電池的開路電壓。

4.2 有機空穴傳輸導體

相對無機P型電解質(zhì)，有機空穴傳輸材料具有制備簡單，材料豐富的優(yōu)點。

2,2',7,7'-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9'-螺二芴（spiro-OMeTAD）是常用的有機空穴傳輸材料，被用于QDSSC中作為固態(tài)電解質(zhì)[20]。Lee等[21]用spiro-OMeTAD制備了固態(tài)PbS和CdSQDSSC，獲得了超過1%的轉化效率。Chi等[22]發(fā)現(xiàn)界面改性劑雙（2,4,4-三甲基戊基）膦酸和苯硫酚衍生物可用于量子點敏化電極與spiro-OMeTAD的界面，提高固態(tài)QDSSC的效率。

Qian等[23]用聚-3已基噻吩（P3HT）作為空穴傳輸導體制備了固態(tài)CdSQDSSC，發(fā)現(xiàn)P3HT能夠輔助吸光并激發(fā)電子注入到二氧化態(tài)中，在AM1.5 G（100mW·cm-2）的條件下獲得1.42%的轉化效率。另有研究表明，在P3HT與量子點敏化電極的界面加入界面改性劑2-氨基-1-甲基苯并咪唑，可以提高固態(tài)QDSSC的轉化效率[24]。

Barceló等[25]以3,3'''-雙十二烷基-四聯(lián)噻吩作為空穴傳輸導體制備CdSe固態(tài)QDSSC，發(fā)現(xiàn)直接連接的凝膠量子點比通過離子吸附與反應的量子點具有更好的效率。退火處理能提高電池的光電流響應。

固態(tài)電解質(zhì)與TiO2多孔膜間存在界面接觸，使得電荷傳輸效率低于液態(tài)電解質(zhì)，因此，固態(tài)QDSSC的光電轉化效率很低。

5 結語

作為新一代太陽能電池，量子點敏化太陽能電池具有成本低廉、制作工藝簡單，理論轉化效率高的優(yōu)點，但目前的轉化效率不高，還有很大的研究空間和發(fā)展前景。如果能找到高效穩(wěn)定的液態(tài)電解質(zhì)或開發(fā)出高效率的固態(tài)電解質(zhì)，那么QDSSC轉化效率的將有很大提高。

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