CdSe量子點(diǎn)及其復(fù)合物在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用進(jìn)展研究

摘要：介紹了CdSe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的基本原理，并從優(yōu)化量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的角度，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外優(yōu)化CdSe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的方法。其中，詳細(xì)介紹了制作CdSe復(fù)合量子點(diǎn)和制作涂層結(jié)構(gòu)及納米復(fù)合陣列兩種改良方式，以及優(yōu)化后的CdSe量子點(diǎn)及其復(fù)合物對(duì)太陽(yáng)能電池整體性能的影響，對(duì)今后開(kāi)發(fā)新型光催化劑及優(yōu)化量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池;CdSe量子點(diǎn);半導(dǎo)體

0 引言

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)，直接將資源豐富、綠色環(huán)保的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，使用壽命長(zhǎng)，目前對(duì)太陽(yáng)能電池的研究越來(lái)越多[1]。太陽(yáng)能電池通常以導(dǎo)電玻璃（ITO或FTO）為基極，用寬禁帶納米級(jí)的半導(dǎo)體氧化物，如TiO2、ZnO等作為電極，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。但單一半導(dǎo)體氧化物組成的太陽(yáng)能電池的綜合性能不好，通常還需加入敏化劑。在各種敏化劑中，量子點(diǎn)敏化劑一般采用可作為良好的光敏劑的窄禁帶半導(dǎo)體納米晶材料，其制備簡(jiǎn)單，成本低，相比于有機(jī)染料，其消光系數(shù)更高，穩(wěn)定性更好[2]。因此，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池（QDSSCs）具有較好的發(fā)展前景。

CdSe量子點(diǎn)屬于窄禁帶半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出極其優(yōu)異的光電特性。CdSe量子點(diǎn)通過(guò)改變納米微粒的尺寸，其熒光光譜能夠從紅光變化到藍(lán)光，波長(zhǎng)可精確控制，光譜寬度窄且對(duì)稱性好;CdSe量子點(diǎn)通過(guò)摻雜、表面改性和制作量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)等方式，可減少CdSe微粒表面缺陷，改善發(fā)光特性，提高穩(wěn)定性。CdSe量子點(diǎn)在材料科學(xué)、生命科學(xué)、光電器件等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。近年來(lái)的研究表明，窄禁帶的CdSe量子點(diǎn)可以作為較好的量子點(diǎn)敏化劑，它能強(qiáng)烈吸收可見(jiàn)光區(qū)域的光子能量，將光生電荷轉(zhuǎn)移到其他寬禁帶材料中，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池中快速有效的光電轉(zhuǎn)移，使電池的開(kāi)路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）等參數(shù)大大提高[5]。本文主要介紹了CdSe復(fù)合量子點(diǎn)、涂層及納米陣列對(duì)CdSe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池應(yīng)用的影響。

1 CdSe復(fù)合量子點(diǎn)

CdSe作為敏化劑，通常是通過(guò)包覆或摻雜等方式制作能協(xié)同互補(bǔ)的復(fù)合量子點(diǎn)來(lái)代替單一量子點(diǎn)，敏化效果更好。復(fù)合量子點(diǎn)在單一量子點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用包覆方式組成核殼結(jié)構(gòu)，可消除單核量子點(diǎn)的表面缺陷，使有效限域的載流子增多，減少載流子的非輻射躍遷。同時(shí)，隨核殼材料性質(zhì)的不同，復(fù)合量子點(diǎn)可表現(xiàn)出不同的功能，有助于提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率及電池壽命。Kim[6]分別使用CdSe和CdSe/CdS作為敏化劑，制作了三元的Zn2SnO4-光陽(yáng)極-QDs敏化太陽(yáng)能電池，并用太陽(yáng)光（AM1.5 G，100 mW/cm2）照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用CdSe單一量子點(diǎn)敏化的太陽(yáng)能電池和使用CdSe/CdS復(fù)合量子點(diǎn)敏化的太陽(yáng)能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率分別為0.804%和1.628%，表明復(fù)合量子點(diǎn)的敏化效果更顯著。Brown[7]用C60作為電子受體包裹CdSe量子點(diǎn)，制作了OTE/SnO2/CdSe-nC60/Pt電池，如圖1所示，在AM1.5 G光照下測(cè)得：短路電流密度為0.25 mA/cm2，開(kāi)路電壓為0.3 V，入射光子的能量轉(zhuǎn)化效率為4%，產(chǎn)生的光電流比同等條件下未使用C60的光電流大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，該結(jié)果表明可通過(guò)尋找新型的核殼結(jié)構(gòu)材料來(lái)提高量子點(diǎn)敏化效果，從而進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的工作效率。

摻雜是制作復(fù)合量子點(diǎn)的一種有效方法，它能使納米晶組織間隙縮小，表面結(jié)構(gòu)更緊密，減少電荷重組，增大納米晶的表面積，增加捕光、電荷轉(zhuǎn)移和電荷收集的效率，從而提高量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的光伏性能。Venkata[8]通過(guò)在CdSe/CdS量子點(diǎn)中注入Mn2+合成了CdS-Mn-CdSe敏化的太陽(yáng)能電池，結(jié)果顯示，注入Mn2+使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)4.42%，與未摻雜Mn2+的量子點(diǎn)相比提高了22%。摻雜的計(jì)量和形式對(duì)最終太陽(yáng)能性能也有影響。Tung[9]將Ag成功摻雜到CdS/CdSe量子點(diǎn)中制作出CdSe-Ag+薄膜敏化太陽(yáng)能電池，結(jié)果表明，F(xiàn)TO/TiO2/CdSe-Ag+光電陽(yáng)極的性能隨摻雜薄膜厚度的增加提高了3.96%。總的來(lái)說(shuō)，采用摻入聚合物來(lái)制備混合動(dòng)力太陽(yáng)能電池的工藝簡(jiǎn)單，電池效率高，近年來(lái)發(fā)展迅速。

2 涂層結(jié)構(gòu)及納米復(fù)合陣列

涂層結(jié)構(gòu)是在太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中以量子點(diǎn)作為敏化層，然后添加如ZnS、C60等其他涂層材料，制作出平行的疊加電極。在CdSe敏化太陽(yáng)能電池中由于涂層的存在，能通過(guò)促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移和抑制電子回傳來(lái)改善電荷分離，促進(jìn)電荷重組，從而加強(qiáng)CdSe量子點(diǎn)的敏化性能，改善太陽(yáng)能電池的性能。此外，增大量子點(diǎn)與電極襯底材料的有效結(jié)合率，是提高光電子遷移率，從而提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。通過(guò)混合組裝的形式，將襯底材料由單一的納米顆粒、納米棒、納米線等結(jié)構(gòu)，組合成納米復(fù)合陣列，有助于增大電極材料的總表面積，促進(jìn)CdSe量子點(diǎn)的沉積，抑制電荷的重新組合，為電子的快速傳遞提供更多途徑，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率，已取代單一涂層結(jié)構(gòu)，成為制作電極材料的主要趨勢(shì)。Tan等人[10]用四足形貌的CdSe（TPS）改良了ZnO涂層，使ZnO表面的缺陷鈍化，導(dǎo)通其電子的滲透途徑，并減少了陰極和涂層界面中的帶隙補(bǔ)償。改良后的ZnO/CdSe電池轉(zhuǎn)化效率提高到2.91%，短路電流密度為8.03 mA/cm2，填充因子為61.3%。Buatong[11]以FTO玻璃為基層，在多組TiO2納米棒的一維涂層上添加了三維花狀的TiO2組織，如圖2所示，使CdS/CdSe/ZnS復(fù)合量子點(diǎn)在其表面沉積，經(jīng)光電測(cè)試，開(kāi)路電壓為0.692 V、短路電流密度為5.896 mA/cm2，填充因子為66.5%，能量轉(zhuǎn)化效率從0.703%提高到2.715%。

Kim[12]組裝了由Cd/CdSe共同敏化ZnO的納米粒子/納米棒復(fù)合電極，用TiO2納米層包裹ZnO納米棒，使ZnO納米粒子沉積在納米棒空隙內(nèi)，形成多孔結(jié)構(gòu)，為Cd/CdSe量子點(diǎn)的有效沉積提供了更大的表面積，為提高電子傳遞速率奠定了基礎(chǔ)。Zhang[13]在裸露的TiO2納米顆粒上添加了分層球狀的TiO2（TiO2-HS），組成了TiO2-NP/TiO2-HS的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，CdS/CdSe量子點(diǎn)通過(guò)連續(xù)離子層吸附和反應(yīng)沉積其中，其電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)4.50%，比沒(méi)有添加TiO2-HS的電池增加了24.7%。Ghoreishi[14]通過(guò)在納米ZnO中添加少量還原氧化石墨烯（RGO），使襯底具有更大的比表面積，為加載CdS/CdSe量子點(diǎn)提供更大的區(qū)域，納米ZnO中添加RGO的量子點(diǎn)敏化電極示意圖如圖3所示。石墨烯獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)使它具有超高的電子電導(dǎo)率和流動(dòng)性，電池的光電轉(zhuǎn)換效率比沒(méi)有添加RGO的電池提高了近2倍，為進(jìn)一步提高電子遷移率提供了新的思路。

由此可見(jiàn)，涂層結(jié)構(gòu)及納米復(fù)合陣列能使CdSe量子點(diǎn)的敏化效果大大增強(qiáng)，很好地解決了有機(jī)太陽(yáng)能電池中因電子遷移率低、電荷復(fù)合而電池光降解和光不穩(wěn)定等問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)目前CdSe量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述。在CdSe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中，通常采用能協(xié)同互補(bǔ)的復(fù)合量子點(diǎn)代替單一的CdSe量子點(diǎn)，其敏化效果更好。另外，涂層結(jié)構(gòu)、納米復(fù)合陣列也能使CdSe量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池中的敏化性能增強(qiáng)，提高太陽(yáng)能電池的工作效率、能量轉(zhuǎn)化率，延長(zhǎng)電池使用壽命。

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收稿日期：2020-09-01

作者簡(jiǎn)介：肖含月（1995—），女，重慶人，碩士研究生，研究方向：高級(jí)工程材料、現(xiàn)代制造系統(tǒng)、基礎(chǔ)工業(yè)工程等。