4　CdS量子點敏化TiO2納米管陣列薄膜太陽能電池的制備及其性能研究

太陽能被認為是一種取之不盡用之不竭的清潔與可再生能源，人們也越來越重視對太陽能的研究開發與利用。在我國，太陽能熱水器已經走進人們的日常生活，這也是太陽能利用的一種方式即將太陽能轉換為熱能。但是，太陽能最有效的利用方式即轉換成電能還遠遠沒有達到像太陽能熱水器那樣普及的程度。目前，市場上出售的太陽能電池（將太陽能直接轉換成電能的器件）大部分都是硅太陽能電池，由于硅的制造成本高昂，導致太陽能電池的單位電價要高于火電和水電。只有降低發電成本才能大規模的推廣和利用太陽能電池。因此，人們正在集中力量研究開發新型的廉價、穩定和高效的太陽能電池。

量子點敏化太陽能電池（QDSSCs）是第三代太陽能電池的一種，由于其具有成本低廉，又有多重激發效應和能帶可控的特點使其理論的光電轉換效率可以達到66%，正逐漸成為人們研究的熱點。硅太陽能電池實際上是一個P-N結的結構，但是量子點敏化太陽能電池沒有p-N結，它是由光陽極、電解質和對電極構成的類似“三明治”的結構。光陽極主要是將一層金屬氧化物半導體材料覆蓋到透明的導電玻璃（FTO玻璃）上制備得到，它主要作用是收集和傳遞電子。一般地，制備光陽極的金屬氧化物半導體材料都具有較寬的能帶間隙（如銳鈦礦結構的TiO2的能帶間隙為3.2eV），這就導致其只能捕獲太陽光中能量較高的紫外光，而紫外光只占整個太陽光譜總能量的8%。為了提高光陽極對太陽光的利用效率，就需要將一些具有較窄能帶間隙的半導體材料添加到光陽極中，即在金屬氧化物半導體材料的表面吸附一層窄禁帶的半導體材料。這些具有較窄能帶間隙的半導體就是量子點。目前，量子點主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族的元素制備而成的尺寸在2～20nm之間的化合物半導體納米粒子，如CdS、PbS等。量子點的帶隙較窄，所以其能將太陽能電池的吸收光譜拓寬到可見光范圍。電解質能夠還原被氧化的量子點分子從而促使量子點再生并起到傳輸電子的作用。對電極的主要作用是收集外電路的電子并還原被氧化的電解質。一般地，對電極為表面涂覆一層鉑顆粒薄膜的導電玻璃構成，這是因為鉑具有低的電阻率，能抗腐蝕以及具有高的催化活性。但是由于鉑價格昂貴，現在人們也在研究開發一些更廉價的材料如碳和導電高分子等。量子點敏化太陽能電池的工作原理如圖4-1所示，從圖中可以看出，電池的工作過程主要包括七個步驟：

（1）量子點分子吸收那些能量大于其自身帶隙的太陽光，價帶中的電子受到光激發躍遷到導帶上，這個過程可以寫為

式中：QD為處于基態的量子點；QD*為激發態的量子點。

（2）激發態的量子點將導帶中的電子注入到金屬氧化物半導體的導帶中，即

式中：QD+為失去電子即被氧化的量子點；e-（CB）為注入到金屬氧化物半導體導帶中的電子。

（3）電解質還原氧化態的量子點使得量子點再生，即

式中：Red為還原劑；Ox為氧化劑。

（4）金屬氧化物半導體導帶中的電子與氧化態的量子點發生復合反應，即

（5）金屬氧化物將其導帶中的電子傳遞到導電玻璃的導電面上，電子流入到外電路中，即

式中：e-（FTO）為導電玻璃收集到的電子。

（6）金屬氧化物半導體導帶中的電子與電解質離子發生復合，即

（7）氧化態的電解質與對電極上的電子發生反應，即

對量子點敏化太陽能電池而言，量子點激發態的壽命越長，越有利于其將電子注入到金屬氧化物半導體中，如果激發態的壽命很短，量子點有可能發生非輻射衰減而躍遷回基態。激發態的量子點中的電子要盡可能快地將電子注入到金屬氧化物半導體中，避免發生復合，這就要求量子點的導帶位置要高于金屬氧化物半導體的導帶位置，且他們之間的接觸良好。電子注入到金屬氧化物半導體中后，它可能與氧化態的量子點發生空穴復合［見式（4-4）］，也可能與電解質發生復合［見式（4-6）］。另外，這些電子也可能與金屬氧化物半導體自身的缺陷發生復合。所以，金屬氧化物半導體要具有高的電子遷移率，從而可以迅速地將電子傳輸到導電玻璃和外電路中。總之，只有盡可能多地抑制電子與空穴的復合反應，才能提高電池的效率。

太陽能電池性能表征的最直接、最有效的方法就是測定電池的輸出光電流密度—光電壓曲線即J—V曲線，如圖4-2所示。從圖中可以得到表征太陽能電池性能的主要參數：能量轉換效率（Power Conversation Efficiency，PCE）、開路光電壓（Open-Circuit Voltage，VOC）、短路光電流密度（Short-Circuit Photocurrent Density，JSC）和填充因子（Fill Factor，FF）。

開路光電壓是指當外電路處于開路（即將電池的正極和負極斷開）時測得的光電壓。量子點敏化太陽能電池中的開路光電壓為

式中：Ec為金屬氧化物半導體的導帶底的位置；Eredox為電解質的費米（Fermi）能級位置；k為波爾茲曼（Boltzmann）常數；T為絕對溫度；q為單位電荷量；nc為注入到半導體導帶中的電子數；NCB為半導體導帶的態密度（7×101620cm-3）。由于在金屬氧化物半導體的表面吸附了一層量子點分子導致其導帶位置發生改變，Ec的偏移量可以寫為式中：V為量子點分子的表面濃度；μnormal為量子點分子與金屬氧化物半導體之間的偶極距的垂直分量；ε0為真空絕對介電常數；ε為量子點分子的相對介電常數。

從式（4-8）和式（4-9）可以看出，開路光電壓與μnormal和nc有很大關系，量子點分子注入到金屬氧化物半導體導帶中的電子越多，開路光電壓越大。

短路光電流是在外電路處于短路（即將電池的正極和負極直接連接）時測得的光電流，單位受光面積的短路光電流就是短路光電流密度。短路光電流密度可以寫為

式中：LHE（λ）為電池對給定波長λ的光子捕獲效率；Φinject為量子點的電子的注入效率；ηcollect為電荷的收集效率。

對于給定的量子點而言，ηcollect是常數，所以，短路光電流密度Jsc只和LHE（λ）與Φinject有關。

填充因子FF是指太陽能電池的最大輸出功率與短路光電流和開路光電壓乘積的比值，它是評價太陽能電池品質的一個重要參數。填充因子越高，太陽能電池的輸出功率越大，電池的能量轉換效率就越高。填充因子和電池的串聯電阻和并聯電阻有關，串聯電阻越小，并聯電阻越大，其值就越大。填充因子可以用公式表示為

式中：Jopt和Uopt分別為電池最大輸出功率對應的短路光電流密度和開路光電壓。

能量轉換效率PCE是指電池的最大輸出功率與輸入光功率的比值。它是電池性能最重要的一個參數。用公式表示為