量子点敏化太阳能电池性能提升方法的研究

Research Progress of Methods Improving the Performance of Quantum Dot － Sensitized Solar Cell*
SHU Ting （ Department of Pharmacy，Hubei University of Science and Technology，Hubei Xianning 437100，China）
参考文献
［1］ Yu W． W，Qu L，Guo W，et al． Experimental determination of the extinction coefficient of CdTe，CdSe，and CdS nanocrystals［J］． Chem Mater，2003，15： 2854 － 2860．
2. 2 掺杂
碳纳米管具有良好的导电性能和化学稳定性。引入碳纳米 管层能够提高电荷收集效率，抑制暗电流。Lee 等［14］报道了在 ITO 上喷涂了单壁碳纳米管 （ SWCNTs） 之后制备 CdS / TiO2 量 子点敏化电池。发现 SWCNTs 在光照下增加了短路电流，在黑 暗条件下减少了暗电流。表明 SWCNTs 在 TiO2 / CdS 和 ITO 间形 成了势垒，抑制了电子从 TiO2 或 CdS 量子点的导带向电解质的 转移。由于提高了电荷收集效率，减少了电荷复合，能量转换 效率增加了 50% 。石墨烯［15］由于具有良好的导电性和电子传 输性能，也被掺入二氧化钛膜中用作光阳极，起到抑制电子复 合和提高电子传输的作用。
第 41 卷第 5 期 2013 年 3 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol. 41 No. 5 March. 2013
量子点敏化太阳能电池性能提升方法的研究*
舒婷
( 湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)
摘 要： 量子点敏化太阳能电池是兼具低成本和高理论转化效率的第三代太阳能电池。目前量子点敏化太阳能电池的转化
量子点也存在表面态。Shen 等［7］用 ZnS 修饰 CdSe 量子点 的表面后，电池的光电流密度，开路电压和光电转化效率都有 显著提高。作者认为 ZnS 的作用主要是钝化 CdSe 量子点的表 面态，抑制电子和空穴在 CdSe 量子点表面的虏获，使电子能 有效地传输到 TiO2 的导带，产生更大的光电流。其次是作为量 子点和电解质间的势垒，减少了电子从 CdSe 量子点到电解质
捕获效率，提高电子的注入和收集效率，改善电子传输，减少 电子渗漏，抑制电荷复合。
2 提升量子点敏化太阳能电池性能的方法
QDSSC 的性能可以从两个方面提升，一个方面是组成电池 各部分材料的性能改善，另一方面是从方法的角度对电池性能 进行改善。本文从方法的角度出发，介绍了防护层处理，掺杂 和共敏化三种方法对 QDSSC 的性能的提升作用。
效率仍然不高，如何提高量子点敏化太阳能电池的性能和转化效率，是研究者共同关心的问题。本文从方法的角度出发，介绍了 防护层处理，掺杂和共敏化三种方法对量子点敏化太阳能电池性能的提升作用。
关键词： 量子点敏化； 太阳能电池； 性能提升
中图分类号： TM914. 4
文献标识码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2013） 05 － 0021 － 03
2. 3 共敏化
量子点单一敏化受吸收光谱的限制，难以与太阳的发射光 谱相匹配，采 用 共 敏 化 可 使 吸 收 光 谱 互 补， 拓 宽 光 谱 响 应 范 围，提高电极的太阳光利用率。
Ivan Mora － Seró 等［20］将 N3 染料分子附在 CdSe 量子点上， 检测到 N3 染料分子使得量子点注入到 TiO2 薄膜内的电子增加 了 5 倍。此外，CdS，PbS 量子点都被用来与染料进行了共敏 化［21 － 22］，这些量子点的主要作用是增强光吸收，拓宽吸收范 围，降低电荷复合。
Tachibana 等［11］将致密的 TiO2 阻挡层用于 CdS 量子点敏化 太阳能电池中，发现将 TiO2 致密层厚度增加到 50 nm，能明显 抑制电子渗漏，提高并联电阻 200 个系数。Kim 等［12］同样发现 TiO2 致密层作为阻挡层，能降低了电子从 FTO 到多硫电解质的 回传从而提高电池的效率。Zhu 等在 FTO 和 TiO2 中间涂上一层 Au 颗粒层，不仅有利于激发电子的传输，还能抑制电荷复合 而提高电池效率［13］。
Barea［10］用 ZnS 防护层和两极分子接枝的方法处理 CdSe 量 子点敏化电极，发现可以增加量子点到 TiO2 阵列的电子注入并 降低量子点敏化电极的复合。结果表明两种处理的顺序对转化 效率的提升不同，最佳的处理顺序为两极分子接枝加上 ZnS 防 护层，处理后电池的效率比处理前增加了 6 倍。
3结语
量子点敏化太阳能电池有其独特的优势，但目前还达不到 实际应用的要求。笔者认为，要想大幅度的提升量子点敏化太 阳能电池的性能和转化效率，可以探索更多的提升 QDSSC 性能 的方法，如进行量子点能带工程改进，进行量子点敏化电极界 面工程改进。随着物理，化学和材料学科的迅速发展，相信在 多学科的合作之下，该类电池的研究上会有更快更大的进展。
将不同尺寸或不同类型的量子点进行共敏化能有效提高量 子点敏化电池的转化效率［23 － 25］。Yang 等［25］ 制备了 PbS，CdS 量子点敏化的 TiO2 纳晶薄膜光电化学电极。结果表明共敏化的 TiO2 / PbS / CdS / ZnS 电 极 在 400 nm 光 照 下 产 生 了 近 100% 的 IPCE，并且电 极 的 光 稳 定 性 得 到 很 大 提 高。2009 年，Lee 和 Lo［26］用 CdS 和 CdSe 共敏化得到了高效率的量子点敏化太阳能 电池，研究结果表明，CdS 与 CdSe 量子点在光收集上有互补作
［3］ Hanna M． C，Nozik A． J． Solar conversion efficiency of photovoltaic and photoelectrolysis cells with carrier multiplication absorbers［J］． J Appl Phys，2006，100： 074510 － 8．
Abstract： Quantum dot － sensitized solar cell （ QDSSC） was regarded as a potential low － cost and high － efficiency photovoltaic cell as the third generation solar cell. At present，the conversion efficiency of QDSSC was still low. How to improve the performance and conversion efficiency of QDSSC was a common issue that researchers cared. From a methodological point of view，three methods that improved the performance of QDSSC as the protective layer processing，doping and cosensitization were introduced.
1 量子点敏化太阳能电池的结构与原理
量子点敏化太阳能电池最初由 Nozik［4］在 1998 年提出。其 结构与染料敏化太阳能电池的结构相似，只是量子点取代了染 料分子。它由透明导电玻璃，纳米多孔半导体薄膜、量子点、 电解质和对电极几部分组成。其工作原理为量子点吸收光子后 电子由基态跃迁到激发态，激发态量子点将电子注入到半导体 的导带中，半 导 体 导 带 中 的 电 子 传 至 后 接 触 面 而 传 输 到 对 电 极，同时，电解质还原氧化态量子点，使量子点再生而不断循 环。要提高 QDSSC 的性能，从根本上，就是要提高量子点的光
Key words： quantum dot － sensitized； solar cell； performance improvement
能源和环境问题使得清洁新能源的开发更为迫切。太阳能 是解决这两大问题的理想能源。近年来，量子点敏化太阳能电 池 （ QDSSC） 受到研究者的广泛关注。量子点作为敏化剂有诸 多优点［1 － 3］： （ 1） 种类多，成本低，制备简单； （ 2） 吸光系数 大，光稳定性好； （ 3） 量子点的带隙可通过尺寸调节，能更好 的利用太阳光； （ 4） 具有独特的多激子发生的潜能，即吸收一 个光子产生多个电子空穴对，使其具有较高的 44% 的理论转化 效率［3］。然而，目前量子点敏化太阳能电池的转化效率仍然不 高，达不到实际生产应用的要求。如何提高量子点敏化太阳能 电池的性能和转化效率，是研究者共同关心的问题。本文简要 介绍了量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理，重点介绍了 提升量子点敏化太阳能电池性能的方法。
［2］ Gorer S，Hodes G． Quantum size effects in the study of chemical solution deposition mechanisms of semiconductor films［J］． J Phys Chem， 1994，98： 5338 － 5346．
* 基金项目： 湖北科技学院博士启动基金 （ BK1209） 。 作者简介： 舒婷 （ 1980 － ） ，女，博士，讲师，主要从事量子点敏化太阳能电池研究。
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广州化工
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的渗漏。Shalom 等［8］在 TiO2 / CdS 电极的表面附上一层无定形 TiO2 层，其作用为提高电池在碘电解质中的稳定性以及钝化量 子点的表 面 态。Samadpour 等［9］ 在 TiO2 / CdTe 上 溅 射 一 层 Au 层，可以起到稳定以及钝化 CdTe 量子点的表面态而抑制电荷 复合的作用。
用，且电池效 率 取 决 于 CdS 和 CdSe 与 TiO2 的 连 接 顺 序，在 TiO2 / CdS / CdSe / ZnS 电极上，AM 1. 5，100 mW / cm2 太阳光照射 下，能量转化效率为 4. 22% 。此后，研究者们在 CdS / CdSe 共 敏化体系上作出了较多的工作［27 － 29］，如前所述，现在该体系 上可 获 得 5. 4% 的 效 率［19］。最 近， 基 于 TiO2 / CuInS2 － QDs / CdS / ZnS 电极的 QDSSC 获得了 4. 2% 的效率［30］，该体系被认为 是一个有希望的共敏化体系。
Tzarara 等［16］制备了氮掺杂的 TiO2 薄膜并用于 CdSe QDSSC 上。他认为 N 掺杂在 TiO2 的导带和价带间产生了新的能态。 该能态与 CdSe 的价带能量相近，有利于空穴或电子的传输。 笔者［17］将 N 掺杂的微孔二氧化钛纳米球应用 QDSSC 中，结果 表明，N 掺杂二氧化钛纳米球电极上得到的能量转化效率为 3. 67% ，高于无 N 掺 杂 的 效 率 （ 2. 14% ） 。Zhu 等［18］ 发 现 在 TiO2 上掺杂 Zຫໍສະໝຸດ Baidu 能 够 抑 制 电 荷 复 合，提 高 电 子 传 输 能 力，使 CdS QDSSC 的 能 量 效 率 提 高 了 24% 。 最 近， Santra 等［19］ 将 Mn2 + 加入 CdS 中，制备 Mn2 + 掺杂的 CdS / CdSe 电极，以 Cu2 S / 氧化石墨烯为对电极，在多硫电解质中获得了 5. 4% 的高效率。
2. 1 防护层处理
TiO2 薄膜中存在着大量的表面态。Zhang 等［5］在 TiO2 表面 制备了 SrTiO3 层，钝化了 TiO2 的表面态，形成夹层的能带结 构显著降低了电极表面的电荷复合，使电池的外量子效率增加 了 70% 。Zhu 等［6］在 TiO2 / CdS 电极间加入 ZnO 层，引入了能 量壁垒并钝化了 TiO2 膜表面缺陷，从而有利于电子传输，降低 电荷复合。