納米復合材料在太陽能電池中的研究進展

韓宇豪 司薇 趙瑛祁

摘 要：第三代太陽能電池，即新型薄膜電池是太陽能電池的發展趨勢。本文介紹了納米復合材料在染料敏化太陽能電池、無機半導體量子點敏化太陽能電池和無機-有機異質結太陽能電池三種新型薄膜電池制造中的研究進展，最后探討了目前存在的問題以及今后的研究方向。

關鍵詞：納米復合材料;第三代太陽能電池;研究進展

近年來，傳統能源日益枯竭，環境污染和溫室效應等問題也日益嚴重。因此人們的研究重點轉向了清潔環保的可再生能源。太陽能資源最豐富、清潔綠色、分布廣泛，地域限制不明顯，是很有潛力的可再生能源。如能將太陽能轉化為熱能、電能、化學能和生物質，就可解決傳統能源緊缺、環境污染等問題。眾多研究人員對光電轉化，即研制太陽能電池做出了巨大努力，并取得了可喜的成果。如今，太陽能電池的研究經歷了第一代——硅基半導體電池、第二代——多元化合物薄膜電池，發展到了第三代——新型薄膜電池，這種新型電池引入了有機物和納米技術。與常規材料有著不同特性的納米材料與擁有“協同效應”的復合材料相結合，使得納米復合材料得到了重點關注。本文介紹了研究較多的納米復合材料在第三代太陽能電池中的研究進展，并探討了目前存在的問題及今后研究的方向。

1 染料敏化太陽能電池

上世紀90年代瑞士科學家首次提出了一種新型太陽能電池，以染料吸收光并給出電荷，納米半導體多孔膜支撐染料、接受電荷并傳導電荷，這就是染料敏化太陽能電池（DSC）。這種電池具有原料豐富、成本低、工藝技術相對簡單和穩定性高等優點，并且所使用的原料和生產工藝無毒、無污染，部分材料可以充分回收，因此得到了研究者的重視。

這種電池主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底等幾部分組成。受太陽光照射后，染料分子由基態躍遷至激發態;處于激發態的染料分子將電子注入到半導體的導帶中;電子運動到導電玻璃基底，之后進入外電路。同時，電池內部發生的是氧化態的染料的還原再生反應和電解質的氧化還原反應，之后染料可以繼續進行光生電子的產生和循環。

納米多孔半導體薄膜多用TiO2、SnO2和ZnO等材料制作，其中最常見的是納米TiO2。然而TiO2本身禁帶寬，產生的電子-空穴對極易復合、壽命短，光響應范圍較窄，因此為改善TiO2的光電化學性能，許多研究者開始探索采用納米復合材料制作多孔薄膜的可能性。有研究者應用溶膠-凝膠法制備了多壁碳納米管基TiO2和TiO2-xNx納米復合材料。試驗證明多壁碳納米管的應用有利于光生電荷的分離和傳輸，能使光生電子的收集效率提高20%。也有人利用靜電紡絲技術紡制了Au/ TiO2納米復合纖維、PVP/無定型TiO2納米復合纖維，以及PMMA/ TiO2納米復合纖維等材料，這些材料經處理后得到的多孔結構可用于DSC，穩定性較高。石墨烯量子點與TiO2的復合膜也可用于DSC。與純TiO2膜相比，石墨烯/ TiO2納米復合膜可以增大DSC的能量轉換效率。有些研究者另辟蹊徑，將卟吩染料分子和納米TiO2通過靜電自組裝法層層組裝到導電玻璃上，形成了有機染料/ TiO2納米復合膜。這種層層組裝的形式使該納米復合膜在紫外和可見光區域都出現了光電化學響應。

2 無機半導體量子點敏化太陽能電池

無機半導體量子點敏化太陽能電池（QDSC）與DSC的工作原理、電池結構特征和電子轉移過程基本相同，主要差異在于以無機窄禁帶量子點取代傳統的染料或有機染料作為敏化劑。太陽光照射量子點時，量子點的電子-空穴對發生分離，電子從價帶躍遷到導帶并注入半導體納米晶層（多為TiO2）的導帶中，通過半導體多孔膜擴散到導電玻璃，進入外電路。留在價帶的空穴被氧化還原電對的電子還原。量子點有很多優點，如吸光范圍大、化學穩定性好、合成過程簡單、成本低、吸光層可制備得極薄、更易實現電子給體和受體材料的能級匹配等。

常用的量子點敏化劑主要有CdSe、CdS、CdTe、InP、InAs、PbS和PbSe等。其中CdSe與TiO2的能級非常匹配，是研究的最多的一類量子點敏化電池。有研究者利用光輔助的電沉積法制備了CdSe/ TiO2納米管陣列，并將其制成了QDSC。該電池能兼顧電子注入效率和吸收光譜范圍，增強光電響應信號。除了TiO2外，ZnO也是一種常用于QDSC的多孔n型半導體納米材料。有課題組將CdSe納米顆粒偶聯到ZnO納米線上，成功地制造了QDSC。

3 無機-有機異質結太陽能電池

DSC和QDSC中均用到易揮發且有腐蝕性的業態電解液，因此在電池的封裝和電解液泄露方面存在問題。無機-有機異質結太陽能電池（HSC）可以很好地解決這些問題。HSC是一種固態太陽能電池，異質結中作為電子給體的共軛聚合物可以均勻地注入具有規則形貌的電子受體無機半導體中，可以極大地提高電子在給受體間的轉移效率。HSC以納米無機半導體材料作為光敏劑，常用的有CdSe、CdS等;常用的有機物有P3HT、PCBM等。HSC可采用低成本、簡單的制作工藝，易于大規模生產，光電轉換效率目前已經成超過15%，是一種很有潛力的太陽能電池。

4 結語

近年來，國內外學者對納米復合材料在太陽能電池制造中的應用進行了許多研究，并取得了巨大的成績。但研究成果還處于實驗室摸索和理論探究階段。今后仍然需要繼續開發高效的、低成本、環境友好的敏化劑，拓寬電池的光譜吸收響應范圍，繼續開發新方法、新材料，提高電池的光電轉換效率。同時也應對新型太陽能電池的產業化研究投入更多。

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