量子点敏化太阳能电池

研究生课程考试小论文课程名称：光伏材料与器件基础论文题目: 量子点敏化太阳能电池的研究论文评分标准论文评语:成绩: 任课教师:评阅日期:目录摘要 (1)Abstract (1)1 光敏化太阳能电池 (2)1.1 染料敏化太阳能电池 (2)1.2 量子点敏化太阳能电池 (2)2 量子点敏化太阳能电池的研究背景 (3)2.1 量子点敏化太阳能电池的结构 (3)2.1.1 透明导电玻璃 (3)2.1.2 光电极 (3)2.1.3 量子点光敏剂 (4)2.1.4 电解质 (4)2.1.5 对电极 (5)2.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理 (5)2.3 量子点敏化太阳能电池的优势 (6)2.3.1 量子限制效应 (6)2.3.2 碰撞离化效应与俄歇复合效应 (7)2.3.3 小带效应 (7)2.4 量子点敏化太阳能电池的发展现状 (8)2.5 量子点敏化电极的制备方法 (9)3 量子点敏化太阳能电池的性能改善 (9)3.1 量子点敏化太阳能电池研究进展中出现的问题[31] (9)3.2 提升量子点敏化太阳能电池性能的方法 (10)3.2.1 防护层处理 (10)3.2.2 掺杂 (10)3.2.3 共敏化 (10)结论 (11)参考文献 (12)量子点敏化太阳能电池的研究摘要：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。

量子点敏化太阳能电池发展至今，其效率已经突破了5%，但是与染料敏化电池12%的效率相比还是存在着较大的距离。

通过阅读这方面的相关文献，阐述了量子点敏化太阳能电池的结构（TCO、光电极、光敏化剂、电解质和对电极）、工作原理、优势、电极的几种制备方法及发展现状。

从电荷复合、量子点的光捕获、光阳极的结构、电解质和对电极5个方面分析了量子点敏化电池效率低下的原因。

同时，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。

关键字：量子点敏化、太阳能电池、进展、性能提升Abstract：Quantum dot-sensitized solar cells are regarded as a potential low-cost and high-efficiency photovoltaic cell as the third generation solar cell.The efficiency of the quantum dot-sensitized solar cells have broken through 5% up to now. But there is a large distance between the efficiency of the quantum dot-sensitized solar cell with that of the dye sensitization solar cell which is 12% . By reading the literature, and expounds the structure (TCO, light electrode, photosensitive agent, electrolyte and the electrode), working principle, advantages , several kinds of preparation methods and the current situation of the quantum dot-sensitized solar cell.Five aspects which are charge recombination, light harvesting, the structure of photoanode, the electrolyte were put forward as the reasons for the low efficiency of the quantum dot-sensitized solar cells. At the same time,from a methodological point of view,three methods that improved the performance of QDSSC as the protective layer processing,doping and cosensitization were introduced.Key words: Quantum dot-sensitized、Solar cell、Progress、Performance improvement1 光敏化太阳能电池1.1 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池(DSSC)，是近年来新开发的一种低成本且高光电转换效率的太阳能电池。

相对于结晶硅太阳能电池，DSSC的最大竞争优势在于制备简单、原料便宜、污染性低、不需要大型无尘设备，甚至可利用低温烧结的TiO2以及柔性导电基体作成柔性太阳能电池[1]，其应用范围较广。

目前它在电池效率上最高纪录可达到11.18%，已经超过商业化所需的10%电池效率。

对DSSC电池来说，目前还存在着一些制约因素。

1．染料成本问题。

目前反映使用效果最好的染料是RuL2(SCN)2，但是其中的金属钌属于稀有金属，来源很少，价格昂贵。

另外这种染料的制备过程也是相当复杂，这就成了电池成本降低的一个限制因素。

2．与染料结合得到最高效率的二氧化钛易使染料发生光解，从而导致内部接触不良的问题，这对电池的循环利用是极为不利的。

3．在DSSC的研究过程当中，作为光敏化剂的染料的光谱吸收特性和稳定性是很重要的因素，现在的敏化剂存在的一个共同问题是吸收光谱的范围比较窄，如果能够研究或找到更宽吸收范围的敏化剂，对于提升光电转化率将大有裨益。

4．大量的研究证明，染料的多层吸附非但没有好处，反而可能阻碍电子的传输，从而使光电能量转换率下降[2]。

因此，寻找一种新型的光敏化材料代替染料，已经成为近来太阳能电池的一个研究热点。

1.2 量子点敏化太阳能电池在太阳光的波长范围内，可分为三个主要区域，即波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区和介于二者之间的可见光区。

太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总量的50％，后者占43％。

紫外区只占能量的7％。

从太阳光的能量分布可以看到，所用来代替染料的敏化剂材料的吸收范围最好在可见光以及红外光区。

近期的研究表明，窄带隙的无机半导体材料可代替染料作为敏化剂，若将这些材料控制在量子效应范围内，则成为量子点敏化剂。

使用量子点作为光敏剂的太阳能电池称为量子点敏化太阳能电池(Quantum Dot-sensitized Solar Cells, QDSSCs，以下简称QDSSC)。

量子点材料同传统染料相比，具有价格低廉、吸收范围宽广和较为稳定等诸多优点。

1998年Nozik首先发表了利用磷化铟(InP)半导体量子点(Quantum Dots)取代染料敏化太阳能电池中的钌(Ru)络合物的工作，开创了量子点敏化太阳能电池的先河[3,4]。

量子点敏化材料具有量子点所特有的量子限制效应(Quantum Confinement Effect)、碰撞离化化效应(Impact Ionization)、俄歇效应(Auger Effect)以及小带结构，这些效应可用来增强光电转化效率。

图1-1是量子点敏化电池的结构图。

Fig 1-1 The structure of Quantum Dot-sensitized Solar Cell (QDSSC)2 量子点敏化太阳能电池的研究背景2.1 量子点敏化太阳能电池的结构量子点敏化太阳能电池的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。

它主要由透明导电玻璃,纳晶多孔半导体薄膜、量子点光敏剂、电解质和对电极几部分组成的三明治结构。

2.1.1 透明导电玻璃透明导电玻璃(Transparent Conducting Oxide,TCO)是纳晶多孔半导体薄膜的载体，主要起着让光线透过，并收集注入到TiO2的电子将其传至外电路的作用。

良好的TCO应同时具有高透过率和强导电性，常用的有掺氟氧化锡(Fluorine doped Tin Oxide,FTO)和掺铟氧化锡(Indium doped Tin Oxide,ITO)两种[5]。

其中，ITO的电阻为7Ω/sq，FTO的电阻为8Ω/sq。

两者最大的差异在于FTO的电阻不会因为经过高温煅烧而上升，适合后续TiO2高温烧结的制程。

2.1.2 光电极半导体光电极利用其宽带隙的特性来提供电子传输的通路，它是光敏剂的载体，还负责将光敏剂激发产生的电子传输到导电玻璃。

因此，对它的要求为：(1)对可见光透明，使光敏剂能吸收到足够的可见光而被激发；(2)具有一定的传导性，使电子可以传导到导电玻璃上；(3)具有高比表面积，使光敏剂能被充分地吸附；(4)具有多孔结构,使电解液容易渗透[6]。

常用的半导体为TiO2，ZnO，SnO2[7]这三种n型半导体。

其中TiO2最为常见，应用的范围最广，取得的效率最高。

TiO2的优点为光稳定性好、价格低廉、抗腐蚀性强且无毒。

TiO2有锐钛矿，金红石和板钛矿三种晶相。

其中电子传导阻力较小的锐钛矿主要起电子传递作用，而有利于光子散射的金红石相则可起增加电子被激发机率的作用。

以锐钛矿为主，混合适量的金红石相能结合两相的优点，提高电池的转化效率。

其它的宽禁带半导体Nb2O5，In2O3和NiO等[8]都可用作光阳极。

Fig 2-1 Band gap of wide bandgap semiconductor2.1.3 量子点光敏剂量子点光敏剂,起吸收光子并激发产生电子的作用，是区别染料敏化太阳能电池的主要地方。

对量子点光敏剂的要求为：(1)能够有效地附着在纳晶多孔半导体薄膜上；(2)在可见光区具有较宽的吸收范围和较强的吸光系数；(3)激发态寿命要长，以保证激发态将电子注入到半导体多孔膜内而不跃迁回基态；(4)与半导体多孔膜的能级结构相匹配，使激发的电子有效的注入到半导体的导带(ConductionBand, CB)。

目前用到的量子点光敏化剂主要有CdSe、CdS、CdTe、PbS、AgS、InP、PbSe、InAs和AgSe等[9]。

几种常用的窄禁带半导体与TiO2的能级结构见图2-2。

Fig 2-2 Band gap of narrow bandgap semiconductor and TiO22.1.4 电解质电解质(Electrolyte, EL)—般由还原态(Reduced, Red)和氧化态(Oxidized, Ox)物质组成，起到还原氧化态敏化剂并使电流循环的作用[10]。