半导体敏化太阳能电池发展面临的突破(精)

半导体敏化太阳能电池的突破

[摘要]半导体敏化太阳能电池在过去数年已引起越来越大的兴趣。这类电池开始时转化效率非常低，现在迅速发展到转化效率达到4-5%。本文从三方面分析了优化提高太阳能电池的性能的途径：（1）材料：不仅包括光吸收材料，也包括电子和空穴导体、对电极材料；（2）通过表面处理来控制电子-空穴复合和能带排列；（3）发展具有增强光捕获和采集性能的纳米复合吸收材料。我们认为这些关键点可以使半导体敏化太阳能电池的设计和发展取得重要突破。

[正文]纳米技术被认为将使工业发生革命性的变化，通过纳米技术降低装置费用和提高效率，可使光电能源费用大大降低，产生显著的经济效益。传统的硅太阳能电池依赖高品质的材料，吸收光之后，产生的载流子将留在相同的材料中直到它们在选择性接触中被提取；为了阻止载流子提取前复合，必须采用高成本的尖端技术。相反，纳米尺度的吸收材料可以迅速把光生载流子分离到两个介质中，对材料品质不需苛刻要求，因此，大大减少了制造费用。吸收材料把光生载流子（电子和空穴）分离到两种介质中的概念，在染料敏化太阳能电池中被详细研究。其中，电池由辅助的纳米结构电子和空穴传输材料构成，染料分子起到吸收剂的作用。

半导体敏化太阳能电池从极低的转化效率迅速发展到接近4-5%。

另一方面，半导体材料构成了控制了能源市场-光伏器件的基础。当这些材料变成纳米尺度时，由于量子限制效应，出现了新的和奇特的性质。此外，块体材料的某些性质，如高吸光系数在在纳米尺度时仍然保留。

半导体量子点(QDs)具有大的固有偶极矩，它们的带隙可以通过尺寸和形状来调节，这一特性为吸光材料的纳米设计提供了一个极好的工具。更为重要的是，半导体量子点或薄膜的生产比块体便宜，它们的合成温度更低，并且可以采用液相方法。从这个意义上说，半导体量子点是发展敏化太阳能电池的优秀材料。

使用半导体作为增敏剂可以追溯到上世纪90年代。然而，直到最近几年，由于很多因素半导体敏化太阳能电池SSC才又被重视：纳米技术的发展使得半导体量子点和薄膜的制备及表征变得容易；染料敏化太阳能电池DSC的许多实验结果可应用到半导体敏化电池。所以，这种器件目前受到越来越多的研究小组重视。

Figure 1. General scheme of a semiconductor-sensitized device. Light generates electron-hole pairs in the semiconductor absorber; the electron is injected in a nanostructured wide band gap semiconductor (i.e., TiO2, ZnO) employed as an electron conductor, and it is transported in this medium to the transparent conductive oxide (TCO) used as a collecting substrate and light window. The semiconductor is regenerated by reducing species in the electrolyte that acts as a hole-transporter medium. Finally, the hole is

transported to the counter electrode, where the oxidized counterpart of a redox system is reduced. In a solid-state system, the liquid electrolyte is substituted by a solid hole transporter. The light-harvesting material is a semiconductor that usually takes the form of discrete particles, as represented in this scheme, or a more continuous thin layer. The former can produce quantum confinement and are usually known as quantum-dot-sensitized solar cells (QDSCs). The latter is commonly known as extremely thin absorber (eta) solar cells, but the general processes taking place on both configurations are quite analogous and can be grouped with the more generic denomination of SSCs.

最近几年，SSC效率在完全光照下（at 1 sun）增长到了4-5%，但仍然落后于DSC。然而，SSC性能的进一步提高是可以预见的。在这篇文章中，我们认为，提高效率的突破性进展可以从下面三方面考虑，（1）材料（2）表面处理（3）

纳米复合吸收材料（nanocomposite absorbers）。

（1）首先，吸光的半导体材料需要从性质和制备两方面来分析：半导体材料的

选择给了SSCS多种选择性。利用量子点限限域效应调节PbS SSCs中的带隙可以

将光吸收范围从红外移动到紫外。许多半导体材料被用于SSC（参考文献4，14），但是这个领域有待进一步发展。最近报道使用Sb2S3S

半导体作为敏化剂（参考文献15-17）。使用poly( 3-hexylthiophene)聚三乙基噻吩（既做空穴导体，又作辅助光吸收材料）在完全光照下，目前的固态装置光电转换效率最高达到5.13%。然而，仍有许多问题需要进一步研究，比如解释光透过和气体氛围对电池性能的影响。

SSCs的主要优点之一是相同类型的半导体能通过各种方法制备，这给太阳能电池制造工艺提供了多样性。CdSe是SSCS中使用最广的半导体，一方面，不同形状和尺寸的CdSe能够通过胶体形式事先制备，直接吸附或者通过双功能分子连接到宽带隙半导体上；另一方面，CdSe通过其他技术可以直接在宽带隙半导体（电子传输基质）上生长。最常见的工艺是化学沉积CBD、连续离子层吸附和反应（SILAR）、电沉积。半导体材料及太阳能电池的最终性能很大程度上取决于制备方法。胶体CdS SSCs表现优良，但是，量子点负载率低；CBD使得半导体在SSCs电池上有高的负载，但是在密堆积量子点结构中能产生高的内部再结合。制备方法也影响电荷转移运动力学。在电子传输体的表面直接生长半导体，要求宽带隙半导体薄膜进

行厚度优化。虽然厚膜层提高了光的吸收，但可能存在敏化晶体没有和电子传输体直接接触，导致光生载流子高的再结合，电池性能降低。同样，厚膜可能因空穴传输体使半导体孔洞润湿性变差，再生效率降低。总之，制备方法的选择和半导体类型影响到最终SSCs的性能，需要在装置优化过程中考虑。

过去几年里，这一领域强调一个非常重要的事实：半导体吸光性能限定了装置中的其他组分需要满足的要求。对于DSC，液态电解质作为空穴导体的标准的结构是：由纳米结构宽带隙半导体，染料，I--I3-还原电解质，镀铂对电极组成。SSCs 和DSCs类似，但目前还没有SSCS标准的模型。原因是I--I3-还原电对可使许多半导体产生腐蚀，除非半导体光吸收剂被TiO2之类的涂覆材料保护。为了克服这个问题，探索了多种还原电对，如钴还原物和多硫化物。然而，前者的扩散限制束缚了高照度下的光电流；多硫化物表现出高的光电流；这一还原体系存在高的电荷传输阻力，使标准铂电极产生了一个新的待解决的问题。为了提高填充因子（FF），多种对电极被使用，电解质的选择取决于使用的半导体吸收材料。在电池中使用固态空穴导体（参考文献11）比使用电解质（9、10、36）可以获得更高的转化效率，这一事实清楚表明，对于SSCS，电解质系统需要进一步改进。大部分情况下，改进的电解质将取决于特定的半导体吸收材料。DSCs的情况正相反，使用液体空穴载体效果最好，由于液体电解质更好的扩散和隔开，并且沿着整个装置的有效表面都有直接的接触。

把宽带隙半导体作为电子传输者，最初是为适合金属有机染料所设计的。这些染料分子通常小于1nm。然而，半导体薄膜的尺寸或有包覆层分