量子点敏化太阳能电池研究进展_刘晓光

量子点敏化太阳能电池研究进展

111,2*

刘晓光，吕丽丽，田建军

12

（北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；中国科学院北京纳米能源与系统研究所，北京 100083）

摘要：半导体量子点（Quantum Dot，简称QD）因其具有多种优异的光电性能而在太阳能转换方面得到了广泛地应用。量子点敏化太阳能电池（Quantum Dot Sensitized Solar Cell，简称QDSC），因其工艺简单、制造成本低和理论光电转换效率高，被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池。本文介绍了QDSC的基本结构和工作原理、QDSC的转换效率及影响因素、QDSC的研究进展等。另外，我们还对量子点敏化太阳能电池的发展进行了展望。

关键词：量子点；太阳能电池；量子点敏化太阳能电池；研究进展

引言

随着世界经济的快速发展，人们对能源的需求量与日俱增，化石能源作为不可再生能源，已无法满足全球的能源消耗。此外，化石能源的大量使用会造成全球变暖和环境污染等问题。因而，寻求可高效利用并且对环境友好的可再生能源是世界各国的共同目标。太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经引起了广泛的关注，被认为是传统能源的最佳替代品。根据所用材料的不同，太阳能

[1]

电池可分为：硅基太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、光电化学太阳能电池、有机太阳能电池和多结太阳能电池等。

量子点，是三维尺寸小于或接近激子波尔半径，具有量子局限效应的准零维纳米粒[2,3]

子。光敏性量子点是一种窄禁带宽度的半

[4][5][6]导体材料，如CdS，CdSe，PbS，

[7]

InAs等，它可通过吸收一个光子能量产生多个激子或电子-空穴对，即多重激子效应（Multiple Exciton Generation，简称ME G），进而形成多重电荷载流子对，以更加有效地利用太阳能。根据美国物理学家

[8] Shockley和Queisser提出的S-Q极限模型，半导体PN结太阳能电池的光电转换效率极限为31%，如单晶硅、多晶硅太阳能电池等均受限于这一模型。然而以QD为光敏剂构筑的量子点敏化太阳能电池，在MEG效应作用下，则能突破S-Q极限效率模型，具有更高

[9,10]

的理论光电转换效率。并且，QDSC制造成本远低于硅基太阳能电池。因此，QDSC被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池，成为世界范围内研究的热点之一。

1 QDSC的基本结构和工作原理

QDSC是由有机染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSC）衍生而来，与之不同的是QDSC采用窄禁带宽度的QD取代DSC中的有机染料分子作为电子激发的敏化剂。与有机染料相比，QD不仅

[11~13]具有MEG效应，而且还具有其它优点：（1）QD光谱吸收范围更广，其带隙可以根据其尺寸大小来调节；（2）QD具有比有机染料分子更大的消光系数和光化学稳定性；（3）QD具有大的固有偶极矩，利于激发态电子-空穴的分离。QDSC的工作原理如图1所示，其电池主要是由导电透明电极

（如FTO）、多孔光阳极（如TiO薄膜）、

2

量子点敏化剂（QD）、电解质（如多硫化

物）和对电极（如Cu S）组成。在入射光子

2

的作用下，QD中的电子从价带跃迁到导

带，激发态的电子快速注入到光阳极TiO导

2带中，在FTO玻璃上富集并通过外电路流向

2-对电极，QD中留下的空穴与电解质中

的S

2-2-2-离子发生氧化还原反应，S 离子被氧化成S 离子，S 离子扩散到对电极，得到电子被还原x x 2-成S 离子，构成整个回路。

图1 QDSC 的工作原理示意图

2 QDSC的转换效率及影响因素

量子点敏化太阳能电池的光电转换效率（）是电池的最大输出功率P 与输入光功率max [14]P 的比值：

in in

oc

sc in P FF V I P P ´´==max η（1）

式中，V 为电池的开路电压，取决于光阳极的准费米能级与电解质的氧化还原电势之差；oc I 为电池的短路电流，主要取决于激发电子的数目、电子注入光阳极导带中的数目、电子在sc 光阳极多孔膜中的传输损耗以及在电解质中的传输损耗等；FF 为电池的填充因子。

量子点敏化太阳能电池的另一个重要参数是单色光的光电转换效率（Incident Photon-to-electron Conversion Efficiency ，IPCE ），其描述的是电池吸收不同波长的光时的光电转换效[14]率。从电流产生过程的角度来考虑，IPCE 可以分解成几个因子乘积的形式：

coll

inj LHE IPCE j j l l ´´=)()(（2）

式中，LHE()为光吸收效率，主要取决于量子点的光谱响应范围和光阳极的比表面积。大比

表面积纳米晶半导体薄膜的应用，大大提高了量子点的吸附量，从而提高了LHE 。为电子inj 注入过程的量子产率，并不是所有处于激发态的量子点都可以将电子有效地注入到半导体材料的导带中，有的量子点可能在电子注入过程发生之前就己经失活回到了基态。为电子的coll 收集效率，由于注入的电子可能会与半导体多孔薄膜中的杂质复合，或与电解液中的氧化剂发生氧化还原反应而不能到达导电玻璃表面，因此会影响到整个太阳能电池的光电转换效率。

2.1 光吸收效率

在QDSC 中，量子点就像光捕获天线，起着收集能量的作用，类似于叶绿素和胡萝卜素在自然界光合作用中所起到的作用，量子点对光的吸收效率，直接影响到QDSC 的光电转换效率。QDSC 中使用到的吸光剂主要是Ⅱ-Ⅵ族窄带隙半导体CdS 、CdSe 、CdTe 、PbS 、PbSe 、Cu O 、Cu S 、CuInS 等。为了提高光吸收效率：（1）可以通过对光阳极进行结构设计和表面22改性，以便吸附更多的量子点；（2）研发具有更宽吸收光谱的量子点敏化剂或通过改变量