韓宇豪 司薇 趙瑛祁

摘 要：第三代太陽能電池，即新型薄膜電池是太陽能電池的發(fā)展趨勢。本文介紹了納米復(fù)合材料在染料敏化太陽能電池、無機半導(dǎo)體量子點敏化太陽能電池和無機-有機異質(zhì)結(jié)太陽能電池三種新型薄膜電池制造中的研究進(jìn)展，最后探討了目前存在的問題以及今后的研究方向。

關(guān)鍵詞：納米復(fù)合材料;第三代太陽能電池;研究進(jìn)展

近年來，傳統(tǒng)能源日益枯竭，環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題也日益嚴(yán)重。因此人們的研究重點轉(zhuǎn)向了清潔環(huán)保的可再生能源。太陽能資源最豐富、清潔綠色、分布廣泛，地域限制不明顯，是很有潛力的可再生能源。如能將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能、電能、化學(xué)能和生物質(zhì)，就可解決傳統(tǒng)能源緊缺、環(huán)境污染等問題。眾多研究人員對光電轉(zhuǎn)化，即研制太陽能電池做出了巨大努力，并取得了可喜的成果。如今，太陽能電池的研究經(jīng)歷了第一代——硅基半導(dǎo)體電池、第二代——多元化合物薄膜電池，發(fā)展到了第三代——新型薄膜電池，這種新型電池引入了有機物和納米技術(shù)。與常規(guī)材料有著不同特性的納米材料與擁有“協(xié)同效應(yīng)”的復(fù)合材料相結(jié)合，使得納米復(fù)合材料得到了重點關(guān)注。本文介紹了研究較多的納米復(fù)合材料在第三代太陽能電池中的研究進(jìn)展，并探討了目前存在的問題及今后研究的方向。

1 染料敏化太陽能電池

上世紀(jì)90年代瑞士科學(xué)家首次提出了一種新型太陽能電池，以染料吸收光并給出電荷，納米半導(dǎo)體多孔膜支撐染料、接受電荷并傳導(dǎo)電荷，這就是染料敏化太陽能電池（DSC）。這種電池具有原料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，并且所使用的原料和生產(chǎn)工藝無毒、無污染，部分材料可以充分回收，因此得到了研究者的重視。

這種電池主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。受太陽光照射后，染料分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài);處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中;電子運動到導(dǎo)電玻璃基底，之后進(jìn)入外電路。同時，電池內(nèi)部發(fā)生的是氧化態(tài)的染料的還原再生反應(yīng)和電解質(zhì)的氧化還原反應(yīng)，之后染料可以繼續(xù)進(jìn)行光生電子的產(chǎn)生和循環(huán)。

納米多孔半導(dǎo)體薄膜多用TiO2、SnO2和ZnO等材料制作，其中最常見的是納米TiO2。然而TiO2本身禁帶寬，產(chǎn)生的電子-空穴對極易復(fù)合、壽命短，光響應(yīng)范圍較窄，因此為改善TiO2的光電化學(xué)性能，許多研究者開始探索采用納米復(fù)合材料制作多孔薄膜的可能性。有研究者應(yīng)用溶膠-凝膠法制備了多壁碳納米管基TiO2和TiO2-xNx納米復(fù)合材料。試驗證明多壁碳納米管的應(yīng)用有利于光生電荷的分離和傳輸，能使光生電子的收集效率提高20%。也有人利用靜電紡絲技術(shù)紡制了Au/ TiO2納米復(fù)合纖維、PVP/無定型TiO2納米復(fù)合纖維，以及PMMA/ TiO2納米復(fù)合纖維等材料，這些材料經(jīng)處理后得到的多孔結(jié)構(gòu)可用于DSC，穩(wěn)定性較高。石墨烯量子點與TiO2的復(fù)合膜也可用于DSC。與純TiO2膜相比，石墨烯/ TiO2納米復(fù)合膜可以增大DSC的能量轉(zhuǎn)換效率。有些研究者另辟蹊徑，將卟吩染料分子和納米TiO2通過靜電自組裝法層層組裝到導(dǎo)電玻璃上，形成了有機染料/ TiO2納米復(fù)合膜。這種層層組裝的形式使該納米復(fù)合膜在紫外和可見光區(qū)域都出現(xiàn)了光電化學(xué)響應(yīng)。

2 無機半導(dǎo)體量子點敏化太陽能電池

無機半導(dǎo)體量子點敏化太陽能電池（QDSC）與DSC的工作原理、電池結(jié)構(gòu)特征和電子轉(zhuǎn)移過程基本相同，主要差異在于以無機窄禁帶量子點取代傳統(tǒng)的染料或有機染料作為敏化劑。太陽光照射量子點時，量子點的電子-空穴對發(fā)生分離，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶并注入半導(dǎo)體納米晶層（多為TiO2）的導(dǎo)帶中，通過半導(dǎo)體多孔膜擴散到導(dǎo)電玻璃，進(jìn)入外電路。留在價帶的空穴被氧化還原電對的電子還原。量子點有很多優(yōu)點，如吸光范圍大、化學(xué)穩(wěn)定性好、合成過程簡單、成本低、吸光層可制備得極薄、更易實現(xiàn)電子給體和受體材料的能級匹配等。

常用的量子點敏化劑主要有CdSe、CdS、CdTe、InP、InAs、PbS和PbSe等。其中CdSe與TiO2的能級非常匹配，是研究的最多的一類量子點敏化電池。有研究者利用光輔助的電沉積法制備了CdSe/ TiO2納米管陣列，并將其制成了QDSC。該電池能兼顧電子注入效率和吸收光譜范圍，增強光電響應(yīng)信號。除了TiO2外，ZnO也是一種常用于QDSC的多孔n型半導(dǎo)體納米材料。有課題組將CdSe納米顆粒偶聯(lián)到ZnO納米線上，成功地制造了QDSC。

3 無機-有機異質(zhì)結(jié)太陽能電池

DSC和QDSC中均用到易揮發(fā)且有腐蝕性的業(yè)態(tài)電解液，因此在電池的封裝和電解液泄露方面存在問題。無機-有機異質(zhì)結(jié)太陽能電池（HSC）可以很好地解決這些問題。HSC是一種固態(tài)太陽能電池，異質(zhì)結(jié)中作為電子給體的共軛聚合物可以均勻地注入具有規(guī)則形貌的電子受體無機半導(dǎo)體中，可以極大地提高電子在給受體間的轉(zhuǎn)移效率。HSC以納米無機半導(dǎo)體材料作為光敏劑，常用的有CdSe、CdS等;常用的有機物有P3HT、PCBM等。HSC可采用低成本、簡單的制作工藝，易于大規(guī)模生產(chǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)成超過15%，是一種很有潛力的太陽能電池。

4 結(jié)語

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對納米復(fù)合材料在太陽能電池制造中的應(yīng)用進(jìn)行了許多研究，并取得了巨大的成績。但研究成果還處于實驗室摸索和理論探究階段。今后仍然需要繼續(xù)開發(fā)高效的、低成本、環(huán)境友好的敏化劑，拓寬電池的光譜吸收響應(yīng)范圍，繼續(xù)開發(fā)新方法、新材料，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時也應(yīng)對新型太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化研究投入更多。

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