量子点敏化太阳能电池光阳极的制备方法

杨 杰，朱 光

宿州学院自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室，安徽宿州，234000



量子点敏化太阳能电池光阳极的制备方法

杨 杰，朱 光

宿州学院自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室，安徽宿州，234000

介绍了量子点敏化太阳能电池的基本结构和工作原理，详细描述了量子点敏化太阳能电池光阳极的不同制备方法及其界面的直接连接。分析了光阳极制备中存在的问题，指出为了提高量子点敏化太阳能的光电转换效率，需要进一步了解光阳极的结构、制备方法及界面性能，今后进一步研究的方向是寻找更好的量子点材料和性能优越的光阳极制备方法，降低量子点敏化太阳能电池的成本、提高其转换效率和稳定性。

量子点敏化太阳能电池；光阳极；制备方法；界面

近年来，半导体无机量子点，如ⅡB-ⅥA族及ⅣA-ⅥA族化合物CdS、CdSe、ZnS、PbS、ZnSe和PbSe等，被广泛用作敏化太阳能电池的光敏化剂[1-6]，此类太阳能电池称为量子点敏化太阳能电池(quantum dots-sensitized solar cells,QDSSCs)[7]。量子点敏化太阳能电池是染料敏化太阳能电池的重要分支，其结构与染料敏化太阳能电池基本一致，但QDSSCs采用无机窄禁带的量子点(QDs)取代传统的钌染料作为吸收太阳光的敏化剂。此类量子点相对于传统的有机染料具有优越的性能。这类半导体量子点的能隙越小，可利用的光波范围越宽；同时量子点可借由尺度大小调整吸收光谱范围，因此可灵活控制吸收光谱。此外，由于冲击离子化效应，使得光子更被充分利用，因此半导体量子点的潜力极受注目。凭借量子点种类丰富、可调节、合成简单和多激子效应等诸多优势，使得QDSSCs已经成为当前研究的热点。

1 量子点敏化太阳能电池的结构和原理

量子点敏化太阳能电池主要由量子点敏化的光阳极、电解质和对电极组成，其结构及能带如图1所示。量子点敏化的光阳极包括透明导电玻璃(FTO)、纳米晶TiO2多孔薄膜和吸附在其上的量子点敏化剂；电解质，包括氧化还原离子对和溶剂，氧化还原离子对一般采用多硫或多碘的电解液；对电极，一般采用具有较高催化性能的材料，如Au、Pt、Carbon等材料[8-9]。

在太阳光照下，量子点吸收大于其禁带宽度的光子之后，禁带电子从基态跃迁到激发态，不稳定的激发态电子可迅速注入到宽禁带多孔半导体导带中，接着扩散到导电基底上，再通过外电路传输到对电极；量子点价带中的空穴被电解液中的氧化还原电子对还原， 传输到对电极上的电子被电解质中的氧化剂吸收。

图1 量子点敏化太阳能电池的结构示意图和能带图

2 光阳极的制备方法

光阳极是量子点敏化太阳能电池的重要组成部分，光阳极多孔薄膜的种类、微孔孔径分布、表面电子结构、膜厚度和粒径分布等参数，对量子点敏化电极的量子点吸附量、界面电子复合、电子输运以及电极吸光效率等性质都有重要影响，很大程度上影响着太阳能电池的光电转化效率。近年来，研究人员用不同的方法制备量子点敏化的光阳极，如化学浴沉积法(Chemical bath deposition，CBD)[10-11]、自组装单分子层法(Self-assembled monolayer，SAM)[12-13]、连续离子层吸附反应法(Successive ionic layer adsorption and reaction，SILAR)[14-15]、电化学沉积法(electrochemical deposition，ED)[16]、喷雾热解法(spray pyrolysis，SP)[17-18]、光沉积法(photo-deposition technique，PD)[19]、微波辅助的化学浴沉积法(Microwave assisted chemical bath deposition，MACBD)[20-22]等,研究其内部的界面接触以及电子传输，提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率。

2.1 化学浴沉积法 (CBD)

CBD也称之为化学液相沉积，是一种液相的沉积方法，也是最早被应用到将量子点沉积到光阳极上的一种方法。这种方法沉积量子点时，首先将阴、阳离子前驱体溶解在溶液中，再将多孔半导体薄膜浸入到该溶液中生成量子点。Zhang等使用CBD方法在水性条件下制备CdS/CdSe量子点敏化的光阳极，在一个标准太阳光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，制备的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池得到4.92%的光电转换效率[23]。

2.2 自组装单分子层法(SAM)

SAM是80年代以来快速发展起来的一种薄膜制备技术，主要通过表面活性剂的头基与基底之间产生化学吸附，在界面上自发形成一层薄膜。Pan等利用热注入的方法制备油酸包覆的CdS/CdSe结构量子点，使用短连接的MPA替代量子点上的油酸[24]。使用SAM方法在TiO2薄膜表面制备一层巯基包覆的CdS/CdSe量子点作为量子点敏化太阳能电池的光阳极，在一个标准太阳光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，使用巯基包覆的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池得到5.32%的光电转换效率。

2.3 连续离子层吸附反应法(SILAR)

SILAR是液相制备薄膜的一种新的方法，通过反复的正负离子反应在衬底上制备半导体薄膜。Lee等连续使用SILAR方法在TiO2薄膜上制备CdS和CdSe共敏化的光阳极，在一个标准太阳光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，制备的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池得到4.22%的光电转换效率[25]。

2.4 电化学沉积法(ED)

ED是指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积制备薄膜的一种方法。Su等[16]连续使用ED方法在TiO2薄膜上电沉积制备CdS和CdSe共敏化的光阳极，在一个标准太阳光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，制备的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池得到4.81%的光电转换效率。

2.5 喷雾热解法(SP)

SP是一种利用雾化热解的方法，将量子点前驱体溶液雾化，在高温作用下成核、生长[17]。最近，Zhu等[17]使用超声雾化热解法在FTO导电玻璃上制备多孔结构的ZnO薄膜，随后又再次使用该方法雾化热解CdS的前驱体水溶液，在ZnO薄膜上沉积CdS量子点，制备CdS敏化的ZnO光阳极，并对制备电池的光伏性能和电化学机理进行了的研究。在一个标准太阳光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，得到1.56%的转换效率。

2.6 光沉积法(PD)

PD是指在光照的条件下，前驱体溶液缓慢反应制备半导体薄膜的一种技术。Y.Jin-nouchi等[19]使用PD法，通过CdS前驱体溶液在TiO2薄膜表面制备CdS敏化的光阳极，并对制备电池的光伏性能和电化学机理进行了系统的研究。在一个标准太阳光(100 mWcm-2，AM 1.5G)下，得到2.51%的光电转换效率。

2.7 微波辅助的化学浴沉积法(MACBD)

MACBD是一种新型的绿色的材料制备方法，具有简洁、高效、快速等优点，且制备的样品纯度高、尺寸分布窄和产量大等特点，因而受到科学界的广泛关注[21-22]。与传统的制备光阳极的方法相比，前驱体溶液在微波的辐射作用下，可以在极短的时间内成核、生长；同时颗粒的表面能在微波的作用下得到改善。因此，量子点和金属氧化物薄膜之间可以形成好的界面，有利于电子的传输，阻碍其复合，得到一个高的光电转换效率。Zhu等[20-22]使用MACBD法制备CdS、CdSe和CdS/CdSe敏化的二氧化钛电极，并应用于量子点敏化太阳能电池。在一个太阳光照射(AM 1.5 G,100 mW cm-2)下,分别得到1.18%、1.75%和3.06%的转换效率。

3 展 望

QDSSCs作为新一代光伏电池，其理论光电转换效率可以达到66%，但目前还没有制备出这种超高转换效率的太阳能电池。从光阳极制备的角度考虑，量子点的种类虽多，但能够与宽禁带光阳极实现能级匹配的量子点有限。半导体光阳极多孔薄膜种类、微孔孔径分布、表面电子结构、膜厚度、晶型、规整度和粒径分布等参数，对量子点敏化电极的量子点吸附量、界面电子复合、电子输运以及电极捕光效率等性质有重要影响，且在很大程度上影响着量子点敏化纳米晶太阳能电池的光电转化效率。因此，进一步理解量子点敏化太阳能电池的工作机理和新结构设计，寻找更好的量子点材料和性能优越的光阳极制备方法，降低量子点敏化太阳能电池的成本，提高其转换效率和稳定性是今后进一步研究的方向。

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(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.05.020

2014-02-26

宿州学院自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室开放课题“静电纺丝纳米材料制备及其光催化性能研究”(2013YKF24)。

杨杰(1976-)，安徽宿州人，硕士，讲师，主要研究方向：太阳能电池、光催化及磁性材料。

TM914.4

A

1673-2006(2014)05-0063-03