楊 杰，朱 光

宿州學(xué)院自旋電子與納米材料安徽省重點實驗室，安徽宿州，234000

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量子點敏化太陽能電池光陽極的制備方法

楊 杰，朱 光

宿州學(xué)院自旋電子與納米材料安徽省重點實驗室，安徽宿州，234000

介紹了量子點敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)描述了量子點敏化太陽能電池光陽極的不同制備方法及其界面的直接連接。分析了光陽極制備中存在的問題，指出為了提高量子點敏化太陽能的光電轉(zhuǎn)換效率，需要進(jìn)一步了解光陽極的結(jié)構(gòu)、制備方法及界面性能，今后進(jìn)一步研究的方向是尋找更好的量子點材料和性能優(yōu)越的光陽極制備方法，降低量子點敏化太陽能電池的成本、提高其轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

量子點敏化太陽能電池；光陽極；制備方法；界面

近年來，半導(dǎo)體無機(jī)量子點，如ⅡB-ⅥA族及ⅣA-ⅥA族化合物CdS、CdSe、ZnS、PbS、ZnSe和PbSe等，被廣泛用作敏化太陽能電池的光敏化劑[1-6]，此類太陽能電池稱為量子點敏化太陽能電池(quantum dots-sensitized solar cells,QDSSCs)[7]。量子點敏化太陽能電池是染料敏化太陽能電池的重要分支，其結(jié)構(gòu)與染料敏化太陽能電池基本一致，但QDSSCs采用無機(jī)窄禁帶的量子點(QDs)取代傳統(tǒng)的釕染料作為吸收太陽光的敏化劑。此類量子點相對于傳統(tǒng)的有機(jī)染料具有優(yōu)越的性能。這類半導(dǎo)體量子點的能隙越小，可利用的光波范圍越寬；同時量子點可借由尺度大小調(diào)整吸收光譜范圍，因此可靈活控制吸收光譜。此外，由于沖擊離子化效應(yīng)，使得光子更被充分利用，因此半導(dǎo)體量子點的潛力極受注目。憑借量子點種類豐富、可調(diào)節(jié)、合成簡單和多激子效應(yīng)等諸多優(yōu)勢，使得QDSSCs已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。

1 量子點敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和原理

量子點敏化太陽能電池主要由量子點敏化的光陽極、電解質(zhì)和對電極組成，其結(jié)構(gòu)及能帶如圖1所示。量子點敏化的光陽極包括透明導(dǎo)電玻璃(FTO)、納米晶TiO2多孔薄膜和吸附在其上的量子點敏化劑；電解質(zhì)，包括氧化還原離子對和溶劑，氧化還原離子對一般采用多硫或多碘的電解液；對電極，一般采用具有較高催化性能的材料，如Au、Pt、Carbon等材料[8-9]。

在太陽光照下，量子點吸收大于其禁帶寬度的光子之后，禁帶電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)電子可迅速注入到寬禁帶多孔半導(dǎo)體導(dǎo)帶中，接著擴(kuò)散到導(dǎo)電基底上，再通過外電路傳輸?shù)綄﹄姌O；量子點價帶中的空穴被電解液中的氧化還原電子對還原， 傳輸?shù)綄﹄姌O上的電子被電解質(zhì)中的氧化劑吸收。

圖1 量子點敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖和能帶圖

2 光陽極的制備方法

光陽極是量子點敏化太陽能電池的重要組成部分，光陽極多孔薄膜的種類、微孔孔徑分布、表面電子結(jié)構(gòu)、膜厚度和粒徑分布等參數(shù)，對量子點敏化電極的量子點吸附量、界面電子復(fù)合、電子輸運(yùn)以及電極吸光效率等性質(zhì)都有重要影響，很大程度上影響著太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。近年來，研究人員用不同的方法制備量子點敏化的光陽極，如化學(xué)浴沉積法(Chemical bath deposition，CBD)[10-11]、自組裝單分子層法(Self-assembled monolayer，SAM)[12-13]、連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法(Successive ionic layer adsorption and reaction，SILAR)[14-15]、電化學(xué)沉積法(electrochemical deposition，ED)[16]、噴霧熱解法(spray pyrolysis，SP)[17-18]、光沉積法(photo-deposition technique，PD)[19]、微波輔助的化學(xué)浴沉積法(Microwave assisted chemical bath deposition，MACBD)[20-22]等,研究其內(nèi)部的界面接觸以及電子傳輸，提高量子點敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.1 化學(xué)浴沉積法 (CBD)

CBD也稱之為化學(xué)液相沉積，是一種液相的沉積方法，也是最早被應(yīng)用到將量子點沉積到光陽極上的一種方法。這種方法沉積量子點時，首先將陰、陽離子前驅(qū)體溶解在溶液中，再將多孔半導(dǎo)體薄膜浸入到該溶液中生成量子點。Zhang等使用CBD方法在水性條件下制備CdS/CdSe量子點敏化的光陽極，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，制備的CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池得到4.92%的光電轉(zhuǎn)換效率[23]。

2.2 自組裝單分子層法(SAM)

SAM是80年代以來快速發(fā)展起來的一種薄膜制備技術(shù)，主要通過表面活性劑的頭基與基底之間產(chǎn)生化學(xué)吸附，在界面上自發(fā)形成一層薄膜。Pan等利用熱注入的方法制備油酸包覆的CdS/CdSe結(jié)構(gòu)量子點，使用短連接的MPA替代量子點上的油酸[24]。使用SAM方法在TiO2薄膜表面制備一層巰基包覆的CdS/CdSe量子點作為量子點敏化太陽能電池的光陽極，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，使用巰基包覆的CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池得到5.32%的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.3 連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法(SILAR)

SILAR是液相制備薄膜的一種新的方法，通過反復(fù)的正負(fù)離子反應(yīng)在襯底上制備半導(dǎo)體薄膜。Lee等連續(xù)使用SILAR方法在TiO2薄膜上制備CdS和CdSe共敏化的光陽極，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，制備的CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池得到4.22%的光電轉(zhuǎn)換效率[25]。

2.4 電化學(xué)沉積法(ED)

ED是指金屬或合金從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中電化學(xué)沉積制備薄膜的一種方法。Su等[16]連續(xù)使用ED方法在TiO2薄膜上電沉積制備CdS和CdSe共敏化的光陽極，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，制備的CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池得到4.81%的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.5 噴霧熱解法(SP)

SP是一種利用霧化熱解的方法，將量子點前驅(qū)體溶液霧化，在高溫作用下成核、生長[17]。最近，Zhu等[17]使用超聲霧化熱解法在FTO導(dǎo)電玻璃上制備多孔結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜，隨后又再次使用該方法霧化熱解CdS的前驅(qū)體水溶液，在ZnO薄膜上沉積CdS量子點，制備CdS敏化的ZnO光陽極，并對制備電池的光伏性能和電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行了的研究。在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，得到1.56%的轉(zhuǎn)換效率。

2.6 光沉積法(PD)

PD是指在光照的條件下，前驅(qū)體溶液緩慢反應(yīng)制備半導(dǎo)體薄膜的一種技術(shù)。Y.Jin-nouchi等[19]使用PD法，通過CdS前驅(qū)體溶液在TiO2薄膜表面制備CdS敏化的光陽極，并對制備電池的光伏性能和電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，得到2.51%的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.7 微波輔助的化學(xué)浴沉積法(MACBD)

MACBD是一種新型的綠色的材料制備方法，具有簡潔、高效、快速等優(yōu)點，且制備的樣品純度高、尺寸分布窄和產(chǎn)量大等特點，因而受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注[21-22]。與傳統(tǒng)的制備光陽極的方法相比，前驅(qū)體溶液在微波的輻射作用下，可以在極短的時間內(nèi)成核、生長；同時顆粒的表面能在微波的作用下得到改善。因此，量子點和金屬氧化物薄膜之間可以形成好的界面，有利于電子的傳輸，阻礙其復(fù)合，得到一個高的光電轉(zhuǎn)換效率。Zhu等[20-22]使用MACBD法制備CdS、CdSe和CdS/CdSe敏化的二氧化鈦電極，并應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池。在一個太陽光照射(AM 1.5 G,100 mW cm-2)下,分別得到1.18%、1.75%和3.06%的轉(zhuǎn)換效率。

3 展 望

QDSSCs作為新一代光伏電池，其理論光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到66%，但目前還沒有制備出這種超高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。從光陽極制備的角度考慮，量子點的種類雖多，但能夠與寬禁帶光陽極實現(xiàn)能級匹配的量子點有限。半導(dǎo)體光陽極多孔薄膜種類、微孔孔徑分布、表面電子結(jié)構(gòu)、膜厚度、晶型、規(guī)整度和粒徑分布等參數(shù)，對量子點敏化電極的量子點吸附量、界面電子復(fù)合、電子輸運(yùn)以及電極捕光效率等性質(zhì)有重要影響，且在很大程度上影響著量子點敏化納米晶太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。因此，進(jìn)一步理解量子點敏化太陽能電池的工作機(jī)理和新結(jié)構(gòu)設(shè)計，尋找更好的量子點材料和性能優(yōu)越的光陽極制備方法，降低量子點敏化太陽能電池的成本，提高其轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性是今后進(jìn)一步研究的方向。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.05.020

2014-02-26

宿州學(xué)院自旋電子與納米材料安徽省重點實驗室開放課題“靜電紡絲納米材料制備及其光催化性能研究”(2013YKF24)。

楊杰(1976-)，安徽宿州人，碩士，講師，主要研究方向：太陽能電池、光催化及磁性材料。

TM914.4

A

1673-2006(2014)05-0063-03