CdSe量子点及其复合物在太阳能电池中的应用进展研究

摘要：介绍了CdSe量子点敏化太阳能电池的基本原理，并从优化量子点敏化太阳能电池的角度，总结了国内外优化CdSe量子点敏化太阳能电池的方法。其中，详细介绍了制作CdSe复合量子点和制作涂层结构及纳米复合阵列两种改良方式，以及优化后的CdSe量子点及其复合物对太阳能电池整体性能的影响，对今后开发新型光催化剂及优化量子点敏化太阳能电池有良好的借鉴意义。

关键词：太阳能电池;CdSe量子点;半导体

0 引言

太阳能电池是通过光电效应或光化学效应，直接将资源丰富、绿色环保的太阳能转化为电能的装置，使用寿命长，目前对太阳能电池的研究越来越多[1]。太阳能电池通常以导电玻璃（ITO或FTO）为基极，用宽禁带纳米级的半导体氧化物，如TiO2、ZnO等作为电极，将太阳能转换为电能。但单一半导体氧化物组成的太阳能电池的综合性能不好，通常还需加入敏化剂。在各种敏化剂中，量子点敏化剂一般采用可作为良好的光敏剂的窄禁带半导体纳米晶材料，其制备简单，成本低，相比于有机染料，其消光系数更高，稳定性更好[2]。因此，量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）具有较好的发展前景。

CdSe量子点属于窄禁带半导体材料，具有独特的物理结构，展现出极其优异的光电特性。CdSe量子点通过改变纳米微粒的尺寸，其荧光光谱能够从红光变化到蓝光，波长可精确控制，光谱宽度窄且对称性好;CdSe量子点通过掺杂、表面改性和制作量子点复合结构等方式，可减少CdSe微粒表面缺陷，改善发光特性，提高稳定性。CdSe量子点在材料科学、生命科学、光电器件等领域中得到了广泛应用[3-4]。近年来的研究表明，窄禁带的CdSe量子点可以作为较好的量子点敏化剂，它能强烈吸收可见光区域的光子能量，将光生电荷转移到其他宽禁带材料中，实现太阳能电池中快速有效的光电转移，使电池的开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）等参数大大提高[5]。本文主要介绍了CdSe复合量子点、涂层及纳米阵列对CdSe量子点敏化太阳能电池应用的影响。

1 CdSe复合量子点

CdSe作为敏化剂，通常是通过包覆或掺杂等方式制作能协同互补的复合量子点来代替单一量子点，敏化效果更好。复合量子点在单一量子点基础上，采用包覆方式组成核壳结构，可消除单核量子点的表面缺陷，使有效限域的载流子增多，减少载流子的非辐射跃迁。同时，随核壳材料性质的不同，复合量子点可表现出不同的功能，有助于提高太阳能电池的能量转化效率及电池寿命。Kim[6]分别使用CdSe和CdSe/CdS作为敏化剂，制作了三元的Zn2SnO4-光阳极-QDs敏化太阳能电池，并用太阳光（AM1.5 G，100 mW/cm2）照射，结果发现，使用CdSe单一量子点敏化的太阳能电池和使用CdSe/CdS复合量子点敏化的太阳能电池，其能量转换效率分别为0.804%和1.628%，表明复合量子点的敏化效果更显著。Brown[7]用C60作为电子受体包裹CdSe量子点，制作了OTE/SnO2/CdSe-nC60/Pt电池，如图1所示，在AM1.5 G光照下测得：短路电流密度为0.25 mA/cm2，开路电压为0.3 V，入射光子的能量转化效率为4%，产生的光电流比同等条件下未使用C60的光电流大2～3个数量级，该结果表明可通过寻找新型的核壳结构材料来提高量子点敏化效果，从而进一步提高太阳能电池的工作效率。

掺杂是制作复合量子点的一种有效方法，它能使纳米晶组织间隙缩小，表面结构更紧密，减少电荷重组，增大纳米晶的表面积，增加捕光、电荷转移和电荷收集的效率，从而提高量子点太阳能电池的光伏性能。Venkata[8]通过在CdSe/CdS量子点中注入Mn2+合成了CdS-Mn-CdSe敏化的太阳能电池，结果显示，注入Mn2+使光电转换效率达4.42%，与未掺杂Mn2+的量子点相比提高了22%。掺杂的计量和形式对最终太阳能性能也有影响。Tung[9]将Ag成功掺杂到CdS/CdSe量子点中制作出CdSe-Ag+薄膜敏化太阳能电池，结果表明，FTO/TiO2/CdSe-Ag+光电阳极的性能随掺杂薄膜厚度的增加提高了3.96%。总的来说，采用掺入聚合物来制备混合动力太阳能电池的工艺简单，电池效率高，近年来发展迅速。

2 涂层结构及纳米复合阵列

涂层结构是在太阳能电池结构中以量子点作为敏化层，然后添加如ZnS、C60等其他涂层材料，制作出平行的叠加电极。在CdSe敏化太阳能电池中由于涂层的存在，能通过促进电子转移和抑制电子回传来改善电荷分离，促进电荷重组，从而加强CdSe量子点的敏化性能，改善太阳能电池的性能。此外，增大量子点与电极衬底材料的有效结合率，是提高光电子迁移率，从而提高太阳能电池转化效率的关键。通过混合组装的形式，将衬底材料由单一的纳米颗粒、纳米棒、纳米线等结构，组合成纳米复合阵列，有助于增大电极材料的总表面积，促进CdSe量子点的沉积，抑制电荷的重新组合，为电子的快速传递提供更多途径，从而提高光电转换效率，已取代单一涂层结构，成为制作电极材料的主要趋势。Tan等人[10]用四足形貌的CdSe（TPS）改良了ZnO涂层，使ZnO表面的缺陷钝化，导通其电子的渗透途径，并减少了阴极和涂层界面中的带隙补偿。改良后的ZnO/CdSe电池转化效率提高到2.91%，短路电流密度为8.03 mA/cm2，填充因子为61.3%。Buatong[11]以FTO玻璃为基层，在多组TiO2纳米棒的一维涂层上添加了三维花状的TiO2组织，如图2所示，使CdS/CdSe/ZnS复合量子点在其表面沉积，经光电测试，开路电压为0.692 V、短路电流密度为5.896 mA/cm2，填充因子为66.5%，能量转化效率从0.703%提高到2.715%。

Kim[12]组装了由Cd/CdSe共同敏化ZnO的纳米粒子/纳米棒复合电极，用TiO2纳米层包裹ZnO纳米棒，使ZnO纳米粒子沉积在纳米棒空隙内，形成多孔结构，为Cd/CdSe量子点的有效沉积提供了更大的表面积，为提高电子传递速率奠定了基础。Zhang[13]在裸露的TiO2納米颗粒上添加了分层球状的TiO2（TiO2-HS），组成了TiO2-NP/TiO2-HS的双层复合结构，CdS/CdSe量子点通过连续离子层吸附和反应沉积其中，其电池转换效率达4.50%，比没有添加TiO2-HS的电池增加了24.7%。Ghoreishi[14]通过在纳米ZnO中添加少量还原氧化石墨烯（RGO），使衬底具有更大的比表面积，为加载CdS/CdSe量子点提供更大的区域，纳米ZnO中添加RGO的量子点敏化电极示意图如图3所示。石墨烯独特的片层结构使它具有超高的电子电导率和流动性，电池的光电转换效率比没有添加RGO的电池提高了近2倍，为进一步提高电子迁移率提供了新的思路。

由此可见，涂层结构及纳米复合阵列能使CdSe量子点的敏化效果大大增强，很好地解决了有机太阳能电池中因电子迁移率低、电荷复合而电池光降解和光不稳定等问题。

3 结语

本文对目前CdSe量子点在太阳能电池中的应用研究进展进行了简单论述。在CdSe量子点敏化太阳能电池中，通常采用能协同互补的复合量子点代替单一的CdSe量子点，其敏化效果更好。另外，涂层结构、纳米复合阵列也能使CdSe量子点在太阳能电池中的敏化性能增强，提高太阳能电池的工作效率、能量转化率，延长电池使用寿命。

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收稿日期：2020-09-01

作者簡介：肖含月（1995—），女，重庆人，硕士研究生，研究方向：高级工程材料、现代制造系统、基础工业工程等。