量子点敏化太阳能电池研究进展文档解析

量子点敏化太阳能电池研究进展

摘要：

量子点敏化太阳能电池(QDSCs)因其制备成本低、工艺简单及量子点(QDs)本身的优异性能(如尺寸效应、多激子效应)等优点，近年来受到广泛关注。在此类电池中，无机半导体量子点敏化剂作为吸光材料，其自身的光电性质、制备方法、表面缺陷、化学稳定性及其在TiO2光阳极上的敏化方法等是影响电池性能的关键。本文综述了无机半导体量子点敏化剂(包括窄带隙二元量子点、多元合金量子点及Type-II核壳量子点)的最新研究进展，重点介绍了胶体量子点的制备方法；分类阐释了量子点在TiO2光阳极表面的沉积与敏化方法，特别是双官能团辅助自组装吸附法；总结了针对提高电子注入效率和减少复合的量子点表面修饰方法；最后简要介绍了QDSCs的电解质和对电极的研究进展。

关键词：

量子点敏化太阳能电池；无机半导体量子点；胶体量子点；双官能团辅助自组装；表面修饰

Progress in Quantum Dot-Sensitized Solar Cells Abstrac t:

Quantum dot-sensitized solar cells (QDSCs) have attracted much attention in the past few yearsbecause of the advantages of quantum dots (QDs), including low cost, easy fabrication, size-dependence bandgap, and multiple exciton generation (MEG). The properties of QD sensitizers influence the performanceof QDSCs, such as their photoelectric characteristics, preparation methods, surface defects, chemical stability,and their sensitization towards TiO2 photoanodes. This review demonstrates the development of QD sensitizers, including narrow bandgap binary QDs, ternary or quaternary alloyed QDs, and Type-II core-shellQDs, especially the preparation methods of colloidal QDs. Furthermore, the deposition and sensitization methods of QDs are introduced in detail, particularly bifunctional-assisted self-assembly deposition.Meanwhile, methods to improve electron injection efficiency and reduce charge recombination are also summarized. Finally, a brief introduction is provided to the development of electrolytes and counter electrodes in QDSCs.

Key Words:

Quantum dot-sensitized solar cell;Inorganic semiconductor quantum dot;Colloidalquantum dot; Bifunctional-assisted self assembly; Surface treatment

1 引言

太阳能电池是一种利用光伏效应或光化学效应将太阳能转化为电能的能量转换形式。按照其发展历程，太阳能电池可以分为三类：以单晶硅太阳能电池为代表的第一代太阳能电池，这类电池发展最为成熟，最高光电转换效率已达25%，且稳定性好，在市场上占据着主导地位，但是高纯度的单晶硅价格昂贵，较高的生产成本使其目前仍难以和传统能源相竞争；以铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池等为代表的第二代太阳能电池，采用高消光系数、直接带隙吸光材料可以有效降低电池的制造成本，光电转换效率可达20%以上，但受到环境污染和稀有元素In储量低的限制；此外，以铜锌锡硫(CZTS)太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池和量子点太阳能电池等低成本、高效率新型太阳能电池为代表的第三代太阳能电池正在快速发展。无机半导体量子点消光系数高、合成过程简单，并且其独特的量子限域效应、热电子抽取以及多激子效应(MEG)等优点使得基于量子点的光伏器件(即量子点太阳能电池)理论光电转化效率高达44%，突破Shockley-Queisser极限(31%)[1-3]。

量子点太阳能电池主要包括肖特基量子点太阳能电池、耗尽异质结太阳能电池、有机-无机杂化太阳能电池以及量子点敏化太阳能电池(QDSCs)[4-8]，本文主要介绍量子点敏化太阳能电池方面的工作。QDSCs是在染料敏化太阳能电池(DSCs)的基础上发展而来的，它采用无机窄带隙的半导体量子点(QDs)作为敏化剂，克服了传统的钌-联吡啶染料和有机染料吸光范围较窄的缺点，并且电池的制备成本更低。事实上，在上世纪80年代初，人们就提出了量子点敏化宽禁带半导体的概念。1994年，Weller等[9]以PbS、CdS量子点等敏化TiO2多孔膜为工作电极，建立了三电极电池体系，并研究了其电流–电压特性。但是，这种量子点敏化电池的研究在相当长一段时间内发展缓慢，光电转化效率低。近几年，随着量子点材料制备方法和薄膜沉积工艺的不断改进，人们对电池内部机理研究的不断深入，QDSCs效率有了大幅提升，成为新型太阳能电池领域一个新研究热点。

尽管QDSCs理论效率高，但目前其光电转换效率只有约8%左右[10-12]，远低于DSCs(约13%)[13]，因此，进一步提高QDSCs性能仍需面临很多挑战。影响电池性能的主要因素包括：QDs本身的光电特性、金属氧化物光阳极的结构和形貌、电解质中氧化还原电对的氧化还原电位及载流子迁移率、对电极的催化性能及电池结构等，其中量子点及其在光阳极表面的敏化是影响整个电池性能的关键。本文主要综述了量子点敏化剂(包括窄带隙二元量子点、多元合金量子点以及Type-II核壳量子点)最新研究进展，重点介绍了胶体量子点的合成方法；分类阐释了量子点在TiO2光阳极表面的沉积与敏化方法，特别是双官能团辅助自组装吸附方法；总结了针对有效提高电子注入效率和减少复合的量子点表面修饰方法；最后简要介绍了QDSCs其他组成部分(金属氧化物光阳极、电解质和对电极)的研究进展。

2 QDSCs的组成及工作原理

QDSCs由沉积了量子点的光阳极、电解质和对电极三部分组成，其工作原理与DSCs相似。如图1所示，光照下，量子点吸收光子后被激发，产生电子-空穴对并发生分离，电子快速注入到TiO2导带并经TiO2被外电路收集，量子点的空穴被电解质还原回到基态，电解质在对电极处接收外电路流入的电子完成