量子点敏化太阳能电池介绍

课程教师：学生：学号：讲课时间：2015.12.2太阳能电池分类与发展讲解目录量子点基础知识量子点敏化太阳能电池量子点敏化剂的制备方法量子点敏化太阳能电池光电转化效率低的原因结语量子点敏化太阳能电池效率提高的途径01第一代太阳能电池0203一、太阳能电池分类与发展晶体硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池特点：发展时间长，技术成熟，光电转化效率高，但制作成本高、工艺复杂生产过程中还存在高能耗和环境污染问题第二代太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池：碲化镉、砷化镓、铜铟镓硒等太阳能电池特点：较第一代太阳能电池，光电转化效率较低、成本较低、易于工业化生产，但某些元素为重金属元素具有严重的污染性（如镉），某些原材料为稀有元素，原材料来源受限制第三代太阳能电池新型薄膜太阳能电池：染料敏化太阳能电池（DSSC）有机聚合物太阳能电池特点：工艺简易、成本低、材料来源广、可大面积印刷、理论光电转化效率高、前景广阔一、太阳能电池分类与发展染料敏化太阳能电池的种类：准固态染料敏化太阳能电池全固态染料敏化太阳能电池叠层染料敏化太阳能电池柔性染料敏化太阳能电池单基板染料敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池是指半径小于或接近于激子玻尔半径（10nm），表现出量子效应的准零维(quasi-zero-dimensional)纳米颗粒。从外观上看，量子点恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，即量子局限效应(quantumconfinementeffect)特别显著。1、什么是量子点（QuantumDots,QDs）二、量子点基本知识将量子点作为敏化剂附着到半导体光阳极上即称为量子点敏化太阳能电池2、量子点特性可以通过调控量子点的尺寸改变量子点的带隙，而拓宽吸光范围；化学稳定性好合成过程简单、易制备具有高消光系数和本征偶极矩，使得量子点太阳能电池的光吸收层可以制备的很薄，便于电子-空穴快速分离，降低成本相对于半导体材料，量子点引入太阳能电池中使电子给体和受体材料的能级匹配容易实现，实现高光电转换效率可以吸收一个高能光子产生多个电子-空穴对即多激子效应二、量子点基本知识研究表明，量子点的带隙宽度与激子玻尔半径的平方成反比，因此，量子点的吸光范围可以通过调控其尺寸来调节1、量子点敏化太阳能电池工作原理1、量子点受光激发由基态跃迁到激发态，同时产生电子-空穴对；2、激发态的量子点将电子注入到半导体的导带中（电子注入速率常数为kinj）；3、半导体导带中的电子在纳米晶格中传输到后接触面而流入到外电路中；4、氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生；5、还原态的电解质还原氧化态的量子点使量子点再生；三、量子点敏化太阳能电池三、量子点敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池与传统染料敏化太阳能电池的工作原理、电池结构特征和电子转移过程基本相同主要差异在于：以无机窄禁带量子点取代传统的钌染料或有机染料作为敏化剂，即以量子点敏化的多孔n型半导体纳晶（TiO2为主）为光阳极，加上含有氧化还原电对的电解液（例如S2-/S22-）及具有催化活性的对电极构成。2、量子点敏化太阳能电池的基本机构半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极三、量子点敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池的基本机构半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极半导体光阳极功能：为电子传输提供通路，也是量子点敏化剂附着的载体目前研究较多的光阳极材料是TiO2。其他的宽带隙半导体如ZnO、SnO2、Nb2O5、CdO、CeO等也是很有潜力的光阳极材料三、量子点敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池的基本机构半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极量子点敏化剂量子点通常是ⅡB-ⅥB族和ⅢB-ⅤB族元素组成的化合物，常用的量子点有CdS、CdSe、CdTe、PdS、PdSe、InAs、InP、CuInS2等。为了达到敏化效果，量子点的带隙宽度不宜太大，一般在1.1～1.4eV范围内，量子点的价带要比电解质的氧化还原电势低，导带要比光阳极半导体的导带高功能：量子点敏化剂是QDSSCs吸收光子的关键部分。三、量子点敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池的基本机构半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极电解质功能：在氧化还原反应中，将量子点价带上的空穴向外传递，以减少空穴密度从而降低激发态电子与空穴复合的概率。因此，电解质对氧化态量子点的还原速率必须大于量子点本身电子-空穴对的复合速率。根据相态的不同，QDSSCs中的电解质可以分为液态电解质、准固态电解质和固态电解质。目前研究较多的是液态电解质I−/I3−体系、S2−/Sn2−多硫体系等。三、量子点敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池的基本机构半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极导电玻璃功能：使光透过并收集来自半导体的电子以传输到外电路。常用的导电玻璃有铟掺杂氧化锡（ITO）和氟掺杂氧化锡（FTO），其中ITO的电阻会随高温煅烧而上升，而FTO的电阻基本不变。由于半导体的制备过程中可能需要高温处理，而通常此时的半导体是负载在导电玻璃上。因此，为了减小电阻，增大光电流，一般选择FTO。三、量子点敏化太阳能电池量子点敏化太阳能电池的基本机构半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极对电极功能：将电子传输到电解质中以还原其中的氧化还原电对，实现循环回路。QDSSCs通常以Pt作为对电极，但Pt与电解质界面处的电荷迁移阻力大，易污染且成本高。四、量子点敏化剂的制备方法量子点敏化剂的制备方法主要有原位生长法和非原位生长法两种。原位生长法：原位生长法是在光阳极半导体上直接生长并沉积量子点的一种方法，所得量子点尺寸可控，可以均匀而紧密地吸附在半导体光阳极上，且重复性好、主要包括化学浴沉淀法（chemicalbathdeposition，CBD）和连续离子层吸附与反应法（successiveioniclayerabsorptionandreaction，SILAR）。CBD是将半导体薄膜在前体混合溶液中放置一段时间，取出后清洗、干燥，可根据需要重复若干次。该方法操作简单、生产成本低，但量子点中易掺入杂质、部分沉淀会被洗涤溶解SILAR是在氧化物半导体上进行连续反应。将半导体薄膜在阳离子反应物溶液中放置一段时间，取出后用去离子水冲洗以除掉表面多余反应物，随后在阴离子反应物溶液中放置一段时间，形成一定尺寸的量子点，即完成一次沉积循环，经过多次沉积循环后可形成多层沉积除此之外，也有将两种方法综合运用的报道。图3为CdS-CdSe共敏化量子点在TiO2介孔薄膜上的原位生长过程。先由SILAR在TiO2介孔薄膜合成CdS量子点，在此基础上通过CBD合成CdSe量子点，其对应的电池转换效率为4.62%。四、量子点敏化剂的制备方法量子点敏化剂的制备方法主要有原位生长法和非原位生长法两种。非原位生长法非原位生长法是先合成量子点，再将量子点沉积到半导体光阳极上。有直接吸附和连接剂辅助吸附两种。若合成量子点的溶剂为有机相，通常量子点会直接吸附在光阳极上。这是因为有机相合成的量子点的表面通常会被一层长链的有机分子所包覆，比如烷基胺、烷基膦和烷基膦氧化合物等，这些有机分子可以直接吸附在半导体光阳极上。然而，这些长链分子会使量子点与半导体光阳极之间的电荷转移率降低，而且这种依靠长链分子直接吸附也使得量子点覆盖率降低，进而降低转化效率。四、量子点敏化剂的制备方法量子点敏化剂的制备方法主要有原位生长法和非原位生长法两种。非原位生长法非原位生长法是先合成量子点，再将量子点沉积到半导体光阳极上。有直接吸附和连接剂辅助吸附两种。若合成量子点的溶剂为水相，通常会采用连接剂辅助吸附法，它通过双官能团短链分子连接量子点与半导体。这是因为水相合成的量子点表面通常被水溶性双官能团分子包覆，它们可作为连接剂分子吸附到半导体光阳极的表面。连接剂分子不仅影响量子点的负载量，还会影响电荷的传输、分离、复合。五、量子点敏化太阳能电池光电转化效率低的原因探究1、电子-空穴对的复合复合过程的存在会降低电子的注入效率，从而降低了入射光电转换效率(IPCE)，它们之间的关系见下式，其中为入射光捕获效率，是电荷收集效率。五、量子点敏化太阳能电池光电转化效率低的原因探究2、电解质性能不佳高性能电解质的缺乏是限制电池转化效率的主要因素之一。来源于染料敏化太阳能电池中的I−/I3−体系，对很多量子点的腐蚀作用较强，从而导致光电流下降很快3、光阳极结构不完善光阳极上量子点的附着率低是限制QDSSCs效率的主要因素之一。传统的光阳极材料的比表面积不大，虽然有些学者通过制备纳米结构和介孔结构材料尽可能的增大其比表面积，但相比于染料敏化剂，量子点敏化剂的尺寸比较大，进而导致其附着量远低于染料敏化剂。此外，电子在光阳极半导体传输中遇到结构中的缺陷易损失。六、量子点敏化太阳能电池效率提高的途径1、量子点敏化剂的改性通过对量子点表面钝化以改善量子点复合是常用的改性方法之一。常用的表面钝化方法包括对量子点表面分子直接改性和在量子点表面沉积另一种半导体材料。其中，连接剂分子辅助连接在量子点表面属于对量子点表面分子直接改性。Shalom等将CdS量子点附着在介孔薄膜上，得到电池的光电转换效率为1.24%，若进一步在CdS表面沉积一层ZnS钝化层可以减少量子点表面电子-空穴对的复合进而提高转换效率。另一种常用改性QDs的方法是金属掺杂。量子点的电学和光学性能可通过掺杂过渡金属离子的种类和浓度进行调节，这是因为掺杂物会在量子点的禁带中形成新的能级从而改变了电荷分离和复合动力学。此外，同时利用两种或两种以上不同类型材料制备的量子点或同种类型不同尺寸的量子点，进行量子点的共敏化也是扩宽可见光吸收范围和强度的有效方法。六、量子点敏化太阳能电池效率提高的途径2、量子点与半导体之间界面特性的改善原位合成量子点常会出现半导体的表面孔洞被阻塞的情况，这使得电解质不能有效的进入半导体孔洞深处进行还原反应，进而导致电荷的复合。使用非原位法合成量子点时，引入双官能团的连接剂分子又会影响电荷的分离、复合和传递。寻找合适的连接剂分子，在提高量子点负载量的同时，还能缩短电子的传输距离，降低传导阻力，提高导电能力，进而提高光电转换效率。六、量子点敏化太阳能电池效率提高的途径3、半导体光阳极结构的优化将半导体制成有序的纳米结构不仅会提高量子点的负载量，还能为注入电子提供直接的传输路径，降低电荷的复合，改善电子的传输效率这是因为单晶的有序纳米结构可以使电子通过导带的扩展态进行传输，这种传输机制与无序纳米粒子中的跳跃机制不同。电子在纳米线中的传输速率远大于无序纳米粒子中的传输速率。七、总结与展望近年来，由于量子点的特殊优势，比如量子限域效应、多激子效应、成本低廉、稳定性好等，QDSSCs领域的研究取得了较大的进展，但电池实际效率相比于理论效率（44%）还有很大差距。这主要是由电子-空穴对的复合、电解质的性能不佳、光阳极结构不完善等因素导致的。在以后的研究中，还需要进一步探讨QDSSCs中电荷的传输机理及电荷的复合机制；开发新的量子点合成技术，在减少量子点表面缺陷的同时，保证量子点与光阳极之间的良好接触；探索合适的半导体材料种类和结构，以及高性能的电解质。以上相关研究，将会为量子点敏化太阳能电池转换效率的提高奠定理论基础和科学启迪。参考文献[1]宋鑫.量子点敏化太阳能电池：制备及光电转换性能的改进[D].天津：天津大学，2010.[2]车玉萍，翟锦.新型纳米材料/结构在光电转化中的应用[J].中国科学：化学，2015（3）：262-82.[3]杨健茂，胡向华，田启威，等.量子点敏化太阳能电池研究进展[J].材料导报，2011，25（23）：1-4.6]孟庆波.量子点太阳能电池技术概况[J].新材料产业，2013（3）：61-63.[4]黄婵燕，陶俊超，刘玉峰，等.TiO2纳米管的制备及其在太阳能电池中的应用[J].上海有色金属，2011（02）：89-94.[5]WolfbauerG，BondAM，MacFarl