量子點敏化太陽能電池介紹

1、課程教師：課程教師：學生：學生：學號：學號：講課時間：講課時間：2015.12.2量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池太陽能電池分類與發(fā)展 講解目錄量子點基礎(chǔ)知識量子點敏化太陽能電池量子點敏化劑的制備方法量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率低的原因 結(jié) 語量子點敏化太陽能電池效率提高的途徑 0101 第一代太陽能電池02020303一、太陽能電池分類與發(fā)展晶體硅太陽能電池： 單晶硅太陽能電池 多晶硅太陽能電池特點：特點：發(fā)展時間長，技術(shù)成熟，光電轉(zhuǎn)化效率高，但制作成本高、工藝復(fù)雜生產(chǎn)過程中還存在高能耗和環(huán)境污染問題 第二代太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池： 碲化鎘、砷化鎵、銅銦鎵硒等太陽能電

2、池特點：特點：較第一代太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率較低、成本較低、易于工業(yè)化生產(chǎn)，但某些元素為重金屬元素具有嚴重的污染性（如鎘），某些原材料為稀有元素，原材料來源受限制 第三代太陽能電池新型薄膜太陽能電池： 染料敏化太陽能電池（DSSC） 有機聚合物太陽能電池特點：特點：工藝簡易、成本低、材料來源廣、可大面積印刷、理論光電轉(zhuǎn)化效率高、前景廣闊一、太陽能電池分類與發(fā)展染料敏化太陽能電池的種類：準固態(tài)染料敏化太陽能電池全固態(tài)染料敏化太陽能電池疊層染料敏化太陽能電池柔性染料敏化太陽能電池單基板染料敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池是指半徑小于或接近于激子玻爾半徑（10nm），表現(xiàn)出量子效應(yīng)的準零維(qu

3、asi-zero-dimensional)納米顆粒。從外觀上看，量子點恰似一極小的點狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運動都受到局限，即量子局限效應(yīng)(quantum confinement effect)特別顯著。1、什么是量子點（、什么是量子點（Quantum Dots,QDs）二、量子點基本知識將量子點作為敏化劑附著到半導體光陽極上即稱為將量子點作為敏化劑附著到半導體光陽極上即稱為量子點敏化量子點敏化太陽能電池太陽能電池2 2、量子點特性、量子點特性u 可以通過調(diào)控量子點的尺寸改變量子點的帶隙，而拓寬吸光范圍；u 化學穩(wěn)定性好u 合成過程簡單、易制備u 具有高消光系數(shù)和本征偶極矩，使得量子點太陽

4、能電池的光吸收層可以制備的很薄，便于電子-空穴快速分離，降低成本u 相對于半導體材料，量子點引入太陽能電池中使電子給體和受體材料的能級匹配容易實現(xiàn)，實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率u 可以吸收一個高能光子產(chǎn)生多個電子-空穴對即多激子效應(yīng)二、量子點基本知識研究表明，量子點的研究表明，量子點的帶隙寬度與激子玻爾帶隙寬度與激子玻爾半徑的平方成反比，半徑的平方成反比，因此，量子點的吸光因此，量子點的吸光范圍可以通過調(diào)控其范圍可以通過調(diào)控其尺寸來調(diào)節(jié)尺寸來調(diào)節(jié)1、量子點敏化太陽能電池工作原理1、量子點受光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時產(chǎn)生電子-空穴對；2、激發(fā)態(tài)的量子點將電子注入到半導體的導帶中（電子注入速率常數(shù)為ki

5、nj）；3、半導體導帶中的電子在納米晶格中傳輸?shù)胶蠼佑|面而流入到外電路中；4、氧化態(tài)的電解質(zhì)擴散到對電極上得到電子再生；5、還原態(tài)的電解質(zhì)還原氧化態(tài)的量子點使量子點再生；三、量子點敏化太陽能電池三、量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池與傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池的工作原理、電池結(jié)構(gòu)特征和電子轉(zhuǎn)移過程基本相同主要差異在于主要差異在于 ：以無機窄禁帶量子點取代傳統(tǒng)的釕染料或有機染料作為敏化劑，即以量子點敏化的多孔n型半導體納晶（TiO2為主）為光陽極，加上含有氧化還原電對的電解液（例如S2-/S22-）及具有催化活性的對電極構(gòu)成。2、量子點敏化太陽能電池的基本機構(gòu)半導體光陽極、量子點敏化劑、電解質(zhì)

6、、導電玻璃、對電極三、量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池的基本機構(gòu)半導體光陽極、量子點敏化劑、電解質(zhì)、導電玻璃、對電極半導體光陽極 功能：功能：為電子傳輸提供通路，也是量子點敏化劑附著的載體目前研究較多的光陽極材料是 TiO2。其他的寬帶隙半導體如 ZnO、SnO2、Nb2O5、CdO、CeO等也是很有潛力的光陽極材料三、量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池的基本機構(gòu)半導體光陽極、量子點敏化劑、電解質(zhì)、導電玻璃、對電極量子點敏化劑量子點通常是B-B 族和B-B 族元素組成的化合物，常用的量子點有 CdS、CdSe、CdTe、PdS、PdSe、InAs、InP、CuInS2等。為了達到

7、敏化效果，量子點的帶隙寬度不宜太大，一般在 1.11.4 eV 范圍內(nèi)，量子點的價帶要比電解質(zhì)的氧化還原電勢低，導帶要比光陽極半導體的導帶高功能：功能：量子點敏化劑是 QDSSCs 吸收光子的關(guān)鍵部分。三、量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池的基本機構(gòu)半導體光陽極、量子點敏化劑、電解質(zhì)、導電玻璃、對電極電解質(zhì)功能：功能：在氧化還原反應(yīng)中，將量子點價帶上的空穴向外傳遞，以減少空穴密度從而降低激發(fā)態(tài)電子與空穴復(fù)合的概率。因此，電解質(zhì)對氧化態(tài)量子點的還原速率必須大于量子點本身電子-空穴對的復(fù)合速率。根據(jù)相態(tài)的不同，QDSSCs 中的電解質(zhì)可以分為液態(tài)電解質(zhì)、準固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。目前研究較多

8、的是液態(tài)電解質(zhì) I/I3體系、S2/Sn2多硫體系等。三、量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池的基本機構(gòu)半導體光陽極、量子點敏化劑、電解質(zhì)、導電玻璃、對電極導電玻璃功能：功能：使光透過并收集來自半導體的電子以傳輸?shù)酵怆娐?。常用的導電玻璃有銦摻雜氧化錫（ITO）和氟摻雜氧化錫（FTO），其中 ITO 的電阻會隨高溫煅燒而上升，而 FTO 的電阻基本不變。由于半導體的制備過程中可能需要高溫處理，而通常此時的半導體是負載在導電玻璃上。因此，為了減小電阻，增大光電流，一般選擇 FTO。 三、量子點敏化太陽能電池量子點敏化太陽能電池的基本機構(gòu)半導體光陽極、量子點敏化劑、電解質(zhì)、導電玻璃、對電極對電極

9、功能：功能：將電子傳輸?shù)诫娊赓|(zhì)中以還原其中的氧化還原電對，實現(xiàn)循環(huán)回路。QDSSCs 通常以 Pt 作為對電極，但 Pt 與電解質(zhì)界面處的電荷遷移阻力大，易污染且成本高。四、量子點敏化劑的制備方法 量子點敏化劑的制備方法主要有原位生長法和非原位生長法兩種。原位生長法： 原位生長法是在光陽極半導體上直接生長并沉積量子點的一種方法，所得量子點尺寸可控，可以均勻而緊密地吸附在半導體光陽極上，且重復(fù)性好、主要包括化學浴沉淀法（chemical bath deposition ， CBD ）和連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法（successive ionic layer absorption and reacti

10、on ，SILAR）。CBD 是將半導體薄膜在前體混合溶液中放置一段時間，取出后清洗、干燥，可根據(jù)需要重復(fù)若干次。該方法操作簡單、生產(chǎn)成本低，但量子點中易摻入雜質(zhì)、部分沉淀會被洗滌溶解SILAR 是在氧化物半導體上進行連續(xù)反應(yīng)。將半導體薄膜在陽離子反應(yīng)物溶液中放置一段時間，取出后用去離子水沖洗以除掉表面多余反應(yīng)物，隨后在陰離子反應(yīng)物溶液中放置一段時間，形成一定尺寸的量子點，即完成一次沉積循環(huán)，經(jīng)過多次沉積循環(huán)后可形成多層沉積 除此之外，也有將兩種方法綜合運用的報道。圖 3 為 CdS-CdSe 共敏化量子點在 TiO2介孔薄膜上 的原位生長過程。先由 SILAR 在 TiO2介孔薄膜合成 Cd

11、S 量子點，在此基礎(chǔ)上通過 CBD 合成 CdSe量子點，其對應(yīng)的電池轉(zhuǎn)換效率為 4.62%。四、量子點敏化劑的制備方法 量子點敏化劑的制備方法主要有原位生長法和非原位生長法兩種。非原位生長法 非原位生長法是先合成量子點，再將量子點沉積到半導體光陽極上。有直接吸附和連接劑輔助吸附兩種。若合成量子點的溶劑為有機相，通常量子點會直接吸附在光陽極上。這是因為有機相合成的量子點的表面通常會被一層長鏈的有機分子所包覆，比如烷基胺、烷基膦和烷基膦氧化合物等，這些有機分子可以直接吸附在半導體光陽極上。然而，這些長鏈分子會使量子點與半導體光陽極之間的電荷轉(zhuǎn)移率降低，而且這種依靠長鏈分子直接吸附也使得量子點覆蓋

12、率降低，進而降低轉(zhuǎn)化效率。四、量子點敏化劑的制備方法 量子點敏化劑的制備方法主要有原位生長法和非原位生長法兩種。非原位生長法 非原位生長法是先合成量子點，再將量子點沉積到半導體光陽極上。有直接吸附和連接劑輔助吸附兩種。若合成量子點的溶劑為水相，通常會采用連接劑輔助吸附法，它通過雙官能團短鏈分子連接量子點與半導體。這是因為水相合成的量子點表面通常被水溶性雙官能團分子包覆，它們可作為連接劑分子吸附到半導體光陽極的表面。連接劑分子不僅影響量子點的負載量，還會影響電荷的傳輸、分離、復(fù)合。五、量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率低的原因探究 1、電子-空穴對的復(fù)合 復(fù)合過程的存在會降低電子的注入效率 ，從而

13、降低了入射光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)，它們之間的關(guān)系見下式，其中 為入射光捕獲效率， 是電荷收集效率。五、量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率低的原因探究 2、電解質(zhì)性能不佳高性能電解質(zhì)的缺乏是限制電池轉(zhuǎn)化效率的主要因素之一。來源于染料敏化太陽能電池中的 I/I3體系，對很多量子點的腐蝕作用較強，從而導致光電流下降很快3、光陽極結(jié)構(gòu)不完善 光陽極上量子點的附著率低是限制QDSSCs 效率的主要因素之一。傳統(tǒng)的光陽極材料的比表面積不大，雖然有些學者通過制備納米結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)材料盡可能的增大其比表面積，但相比于染料敏化劑，量子點敏化劑的尺寸比較大，進而導致其附著量遠低于染料敏化劑。 此外，電子在光陽極半

14、導體傳輸中遇到結(jié)構(gòu)中的缺陷易損失。六、量子點敏化太陽能電池效率提高的途徑 1 1、量子點敏化劑的改性、量子點敏化劑的改性 通過對量子點表面鈍化以改善量子點復(fù)合是常用的改性方法之一。通過對量子點表面鈍化以改善量子點復(fù)合是常用的改性方法之一。常用的表面鈍化方法包括對量子點表面分子直接改性和在量子點表面沉積另一種半導體材料。其中，連接劑分子輔助連接在量子點表面屬于對量子點表面分子直接改性。Shalom 等將 CdS 量子點附著在介孔薄膜上，得到電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 1.24%，若進一步在 CdS 表面沉積一層ZnS 鈍化層可以減少量子點表面電子-空穴對的復(fù)合進而提高轉(zhuǎn)換效率。另一種常用改性另一種常用

15、改性 QDs 的方法是金屬摻雜。的方法是金屬摻雜。量子點的電學和光學性能可通過摻雜過渡金屬離子的種類和濃度進行調(diào)節(jié)，這是因為摻雜物會在量子點的禁帶中形成新的能級從而改變了電荷分離和復(fù)合動力學。此外，同時利用兩種或兩種以上不同類型材料制備的量子點或同種類型此外，同時利用兩種或兩種以上不同類型材料制備的量子點或同種類型不同尺寸的量子點，進行量子點的共敏化也是擴寬可見光吸收范圍和強不同尺寸的量子點，進行量子點的共敏化也是擴寬可見光吸收范圍和強度的有效方法。度的有效方法。六、量子點敏化太陽能電池效率提高的途徑 2 2、量子點與半導體之間界面特性的改善、量子點與半導體之間界面特性的改善 原位合成量子點常

16、會出現(xiàn)半導體的表面孔洞被阻塞的情況，這使得電解質(zhì)不能有效的進入半導體孔洞深處進行還原反應(yīng)，進而導致電荷的復(fù)合。使用非原位法合成量子點時，引入雙官能團的連接劑分子又會影響電荷的分離、復(fù)合和傳遞。 尋找合適的連接劑分子，在提高量子點負載量的同時，還能縮短電子的傳輸距離，降低傳導阻力，提高導電能力，進而提高光電轉(zhuǎn)換效率。 六、量子點敏化太陽能電池效率提高的途徑 3、半導體光陽極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 將半導體制成有序的納米結(jié)構(gòu)不僅會提高量子點的負載量，還能為注入電子提供直接的傳輸路徑，降低電荷的復(fù)合，改善電子的傳輸效率 這是因為單晶的有序納米結(jié)構(gòu)可以使電子通過導帶的擴展態(tài)進行傳輸，這種傳輸機制與無序納米粒子中的

17、跳躍機制不同。電子在納米線中的傳輸速率遠大于無序納米粒子中的傳輸速率。七、總結(jié)與展望 近年來，由于量子點的特殊優(yōu)勢，比如量子限域效應(yīng)、多激子效應(yīng)、成本低廉、穩(wěn)定性好等，QDSSCs 領(lǐng)域的研究取得了較大的進展，但電池實際效率相比于理論效率（44%）還有很大差距。這主要是由電子-空穴對的復(fù)合、電解質(zhì)的性能不佳、光陽極結(jié)構(gòu)不完善等因素導致的。在以后的研究中，還需要進一步探討QDSSCs中電荷的傳輸機理及電荷的復(fù)合機制；開發(fā)新的量子點合成技術(shù)，在減少量子點表面缺陷的同時，保證量子點與光陽極之間的良好接觸；探索合適的半導體材料種類和結(jié)構(gòu)，以及高性能的電解質(zhì)。以上相關(guān)研究，將會為量子點敏化太陽能電池轉(zhuǎn)換

18、效率的提高奠定理論基礎(chǔ)和科學啟迪。 參考文獻 1 宋鑫. 量子點敏化太陽能電池：制備及光電轉(zhuǎn)換性能的改進D. 天津：天津大學，2010. 2 車玉萍，翟錦. 新型納米材料/結(jié)構(gòu)在光電轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用J. 中國科學：化學，2015（3）：262-82.3 楊健茂，胡向華，田啟威，等. 量子點敏化太陽能電池研究進展J. 材料導報，2011，25（23）：1-4. 6 孟慶波. 量子點太陽能電池技術(shù)概況J. 新材料產(chǎn)業(yè)，2013（3）：61-63.4 黃嬋燕，陶俊超，劉玉峰，等. TiO2納米管的制備及其在太陽能電池中的應(yīng)用J. 上海有色金屬，2011（02）：89-94. 5 Wolfbauer G，Bond A M，MacFarlane D R. A channel flow cell system specifically designed to test the efficiency of redox shuttles in dye-sensitized solar cellsJ. Sol. Energy Mater. Sol. Cells，2001，70：85-101. 6 舒婷. 量子點敏化太陽能